Фильтр сетевой принцип работы: Сетевые фильтры для компьютера, стиральной машины и холодильника

Содержание

Сетевой фильтр принцип действия

Что такое сетевой фильтр? – это относительно недорогое устройство, предохраняющее достаточно ценные электроаппараты отперегрузок по току, высокочастотных и импульсных помех, аномального напряжения (повышенного или пониженного относительно нормы).

Основная задача фильтра – пропустить через себя переменный ток частотой 50 Гц и напряжением 220 В, а всяким выбросам напрочь закрыть дорогу. Выбросов же в сети великое множество, и возникают они по разным причинам.

Например, включился холодильник, т.е. сработало пусковое реле его компрессора. В момент включения компрессор (электродвигатель) потребляет ток, в десятки раз (в 20. 40 раз) превышающий тот, что указан в паспорте. На этот миг в сети возникает “просадка’’ напряжения с последующим всплеском (рис.1) – вот и помеха!

Даже включение обычных лампочек в люстре приводит к возникновению, вроде бы, незаметных помех такого же характера. Они в момент включения потребляют ток, примерно в 10 раз больший номинального (пока спираль холодная).

Самое неприятное то, что амплитуда напряжения помехи может исчисляться сотнями, а то и тысячами вольт. Этого вполне хватит, чтобы “спалить” какое-либо чувствительное устройство.

Рис. 1. Напряжения с последующим всплеском.

Как же эту ситуацию предотвратить? Вот тут на арене и появляются сетевые фильтры питания! Они способны “проглотить” все вредные выбросы питающего напряжения.

Справедливости ради надо отметить, что медленные провалы напряжения ни один фильтр питания скомпенсировать не способен (для этой цели служат стабилизаторы напряжения).

Но наиболее опасными для аппаратуры являются все же импульсные помехи.

Принципиальная схема

На рис.2 приведена типовая схема сетевого фильтра питания. На ней показана трехпроводная (европейская) сеть питания: “фаза” – “ноль” (“нейтраль”) – “земля”. Сразу на входе фильтра стоит варис-тор VR1.

Его задача – подавить высоковольтные выбросы напряжения сети. При появлении такого выброса электрическое сопротивление варистора резко падает, и он замыкает через себя эту помеху, не позволяя ей пройти дальше. Следом включены дроссель Т1 и конденсаторы С1, С2, СЗ, образующие LC-фильтр.

Сопротивление дросселя возрастает с увеличением частоты тока, а конденсаторов падает, так что все высокочастотные помехи задерживаются или “стекают” в землю.

Помехи могут возникать не только между сетевыми проводами (“фазой” и “нейтралью”), их отфильтрует конденсатор С3, но и между “фазой” и “землей”, а также возможны помехи “нейтоаль" – “земля”. Для эффективного подавления таких помех служат конденсаторы С1 и С2.

Рис. 2. Типовая схема сетевого фильтра питания.

При отсутствии земли общая точка конденсаторов С1 и С2 “висит” в воздухе, что приводит к созданию ими и дросселем Т1 паразитного колебательного контура, который начинает излучать высокочастотное электромагнитное поле, становясь источником потенциальной опасности для расположенной рядом радиоаппаратуры.

Рис. 3. Схема сетевого фильтра без заземленных конденсаторов и связи с землей.

Поэтому в двухпроводной сети применяются фильтры без этих конденсаторов и связи с “землей” (рис.З). Типовая амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) сетевого фильтра показана на рис.4. Из этого графикавидно, что чем выше частота помех, тем эффективнее они подавляются.

Рис. 4. График зависимости.

Стоит остановиться на одной особенности фильтров питания. Речь пойдет все о той же “земле”. Существует целый класс сетевых фильтров, у которых заземляющий провод не имеет никакой связи с внутренней схемой, кроме соответствующих контактов самих евророзеток и заземляющего контакта евровилки.

Этим достигается важное преимущество: при работе от сети с заземлением все розетки фильтра заземлены, как и положено. Но в случае отсутствия “земли” в сетевой розетке (типичный случай отечественной сети питания) все розетки фильтра объединены между собой по заземляющему контакту (естественно, сам фильтр при этом не заземлен). Почему это важно?

Представим, например, схему подключения различной периферии к компьютеру, показанную на рис. 5а (типичный случай – подключены принтер, сканер, внешний звуковой усилитель И Т.П.).

Это – идеальная схема: все подключено к заземленной сети питания, потенциалы корпусов устройств одинаковы (равны нулю), поскольку соединены с “землей”. В случае возникновения пробоя или повреждения изоляции любого из устройств “лишнее” напряжение уйдет в землю.

Рис. 5. Схемы подключения различной периферии к компьютеру.

Теперь возьмем схему соединений для случая сети без заземления (рис.5б). Как видно, провод заземления отсутствует, и единственной связью корпусов устройств является слаботочный интерфейсный кабель (точнее, его экранирующая оплетка).

При разности потенциалов корпуса компьютера и внешнего устройства (а такое наблюдается сплошь и рядом!) уравнительные токи, текущие от большего потенциала к меньшему, могут легко “выжечь” входные и выходные порты соединенных устройств.

Таких случаев встречается множество. Самый распространенный – выгорание входа или выхода звуковой карты в случае подключения ее к внешнему источнику сигнала или к усилителю звука.

Для решения проблемы нужно подключить эти устройства к “европейскому” удлинителю, даже не соединенному (за неимением) с внешней “землей” (рис,5в). Здесь электрические потенциалы всех устройств выровнены, сквозные токи выберут себе более легкий путь через заземляющие контакты евророзеток, и ничего страшного не произойдет.

Основные параметры сетевых фильтров

Сечение подводящих проводов. Чаще всего сетевой фильтр (рис.6) выпускается с сечением жил порядка 0,75 или 1 мм2. Такое сечение считается достаточным, поскольку максимальный ток нагрузки, на который рассчитывается фильтр, обычно не превышает 10 А.

На такой ток устанавливается и предохранитель. При необходимости можно найти сетевой фильтр повышенной мощности, сечение жил проводов которого достигает 1,5 мм2. Предохранитель у такого устройства – на номинальный ток 16 А.

Рис. 6. Типичный сетевой фильтр-розетка.

Длина подводящего провода сети. Стандартизованная длина сетевого провода фильтра-180 см. У отдельных моделей она может равняться 190 см, 300, а то и 500 см. Количество розеток. Обычно их 4. 6 штук (рис.7).

Как правило, все розетки-с заземляющими “ушками” (типа “евро”). Встречаются фильтры с розетками разного типа (1 -универсальная и 4, 5 – “евро”, рис.8).

Рис. 7. Набор розеток.

Число и типы предохранителей. Предохранители включаются в сетевой фильтр для защиты от перегорания варисторов при больших импульсных помехах и отключения потребителей при коротком замыкании или длительной перегрузке нагрузочных цепей.

Для большей надежности отдельные изготовители, помимо термопредохранителей, устанавливают еще и самовосстанавливающиеся быстродействующие предохранители (на базе полупроводниковой металлоорганики).

Фильтры

Предназначены для подавления помех. Встречаются чисто емкостные и индуктивно-емкостные на основе LC-цепочек. Катушки сетевого фильтра бывают без сердечников или с ферритовыми сердечниками (лучше всего на ферритовых кольцах).

Добавочные устройства. Индикаторы включения и исправного состояния защиты на светодиодах или на неоновых лампочках светятся при включенном фильтре (или его отдельном канале) и гаснут, когда срабатывают предохранители. Разрядники (газовые) подстраховывают варисторы при больших амплитудах импульсных помех.

Любые электроприборы требуют правильной эксплуатации. В отношении сетевых фильтров тоже есть ряд правил безопасности. Фильтры противопоказано подключать друг к другу.

Рис. 8. Пример фильтра с евро-розетками.

Это может неоправданно увеличить ток в “земляном” проводе. Кроме того, к сетевым фильтрам нельзя подключать устройства с большими пусковыми токами (пылесосы, кондиционеры, холодильники и пр.). Не рекомендуется подключать сетевые фильтры к источникам бесперебойного питания, поскольку это может привести к повреждению схем защиты.

Самодельные сетевые фильтры

Нередко имеющиеся в продаже дешевые фильтры на самом деле фильтрами не являются. Например, фильтр-удлинитель (рис.9). Там внутри находится лишь варистор, ограничивающий кратковременные высоковольтные импульсы, которые иногда возникают в сети, и токовый размыкатель, срабатывающий при протекании большого тока (рис 10).

Рис. 9. Фильтр-удлинитель.

Рис. 10. Что внутри фильтра-удлиннителя.

На корпусе есть кнопка, которую нужно нажать, чтобы снова замкнуть размыкатель, если он сработал. Для превращения этого удлинителя в полноценный фильтр внутрь нужно встроить фильтрующие цепи.

На исходной схеме (рис.11а) S1 -токовый размыкатель, VR1 – варистор типа 471 (числом кодируется максимальное напряжение, а от диаметра зависит максимальная энергия подавляемого импульса).

Рис. 11. Схема фильтрующих цепей для встраивания в удлиннитель-розетку.

В доработанном варианте (рис. 11 б) добавляется RLC-фильтр. Катушки L1 и 12 вместе с конденсаторами С1 и С2 образуют LC-фильтр.

Индуктивное сопротивление катушек растет на высоких частотах. Чтобы ослабить и низкочастотные помехи, последовательно с катушками включены резисторы R1 и R2. Резистор R3 разряжает конденсаторы при отключении фильтра от сети. При сборке фильтра (рис. 12) варистор оставляется штатный (типа 471, диаметром 6. 10 мм).

Чем больше сопротивление резисторов R1 и R2, тем лучше фильтрация, но больше их нагрев и потери напряжения в фильтре. Поэтому сопротивление резисторов выбирается в зависимости от суммарной мощности, потребляемой всеми теми устройствами, которые будут подключаться к фильтру (при указанных номиналах РНагр.макс=250 Вт).

Дроссели L1 и L2 – промышленные высокочастотные, типа ДМ-1 индуктивностью 50. 100 мкГн. Конденсаторы – пленочные, типа К73-17 или аналогичные (импортные меньше по габаритам) емкостью не менее 0,22 мкФ (больше 1 мкФ тоже не нужно). Сопротивление резистора РЗ – не критично (от 510 кОм до 1,5 МОм).

Дополнительно на сетевой провод возле самого удлинителя желательно одеть ферритовую шайбу (удобнее всего разрезную на защелках – рис.13).

Рис. 12Сборка фильтра.

Рис. 13. Ферритовая шайба.

Другой вариант схемы помехоподавляющего сетевого фильтра приведен на рис. 14. Для большей эффективности он состоит из двух соединенных последовательно звеньев.

Первое (конденсаторы С1, С4, С5, С8, С9 и двухобмоточный дроссель 12) отвечает за подавление помех частотой выше 200 кГц.

Второе звено (двухобмоточный дроссель И с остальными конденсаторами) подавляет помехи, спектр которых простирается ниже указанной частоты (вплоть до единиц килогерц).

Рис. 14. Схема помехоподавляющего сетевого фильтра.

Благодаря магнитной связи между обмотками дросселей происходит подавление синфазных помех (тех, что наводятся одновременно на оба сетевых провода или излучаются ими).

Поэтому обмотки каждого дросселя должны быть одинаковыми и симметрично намотанными на магнитопроводы. Важно обеспечить правильную фазировку обмоток.

Их начала обозначены на схеме точками. Дроссель L1 намотан на ферритовом магнитопроводе Ш12×14 с самодельным каркасом из злектрокартона сложенным вдвое проводом ПЭЛШО 00,63 мм. Обмотка содержит 87 витков. Марка феррита, к сожалению, неизвестна. Измеренная прибором 1.Р235 индуктивность каждой обмотки – около 20 мГн.

Для дросселя 1.2 использован броневой магнито-провод Б22 из феррита 2000НМ1. Его обмотки содержат по 25 витков и намотаны тем же проводом и таким же образом, что и обмотки дросселя L1. Индуктивность каждой обмотки дросселя L2 – 120 мкГн.

Конденсаторы первого звена фильтра – слюдяные. Поскольку малогабаритных конденсаторов такого типа требующейся для фильтра емкости на нужное напряжение не существует, пришлось соединить попарно-параллельно конденсаторы КСО-5 меньшей емкости.

Аналогичное решение, но с попарно-последовательным соединением конденсаторов С2, С3 и С6, С7 (пленочных зарубежного производства), принято и во втором звене фильтра для обеспечения нужного рабочего напряжения.

Подключенные параллельно конденсаторам резисторы R1. R4 выравнивают приложенные к ним напряжения и обеспечивают быструю разрядку всех конденсаторов после отключения фильтра от сети. Конденсатор С9 – типа К78-2. Плата фильтра помещена в заземленную металлическую коробку.

Материал подготовил В. Новиков. РМ-07-12, 08-12.

Хотите, чтобы ваша техника работала долго и не вышла из строя из-за банального скачка напряжения? Тогда вам стоит знать, что такое сетевой фильтр, принцип его действия и правила выбора. Вся эта информация представлена в данной статье. Поэтому, как говорят в телевизионных шоу: «Не переключайтесь!».

Зачем нужен сетевой фильтр?

Если вы прочитаете характеристики своей компьютерной и бытовой техники, увидите, что они должны работать при напряжении 220 V и частоте 50-60 Гц. По стандарту в ваших розетках оно и должно быть таким. Но на деле это не так.

Осциллограмме присущи непрерывные пики, искажения формы и амплитуды, импульсы и прочее; простыми словами — частые скачки. Причин этому много: включение/отключение мощных электроприборов рядом с вашим домом, атмосферные перепады, короткие замыкания в трансформаторной станции, к которой подпитано ваше жилье, и т. д.

Современная техника чувствительна к помехам в напряжении. Для нее могут быть губительны даже небольшие перепады в 5-10 V, как в большую, так и в меньшую сторону от нормы. Как это возможно? Дело в так называемых переходных процессах. Кратковременный скачок напряжения на входе может увеличиться внутри оборудования по инерции.

Для сглаживания этих помех и придумали такую полезную штуку как сетевой фильтр.

Сетевой фильтр в разрезе

Чтобы понять, каким образом сетевой фильтр может защитить технику, стоит разобраться, из чего он состоит и как работает.

В его комплектацию входят два вида фильтров (элементов для фильтрации тока):

  • Варистор. Это полупроводниковый прибор, на сопротивление которого влияет сетевое напряжение: чем выше оно поднимается, тем ниже становится сопротивление. Он включается вместе с оборудованием, которое защищает, поэтому к его выводам прилагается такое же напряжение, как и к вашей технике.

Когда оно стабильное, через данный фильтр проходит незначительный ток, поэтому он выступает в роли простого изолятора. Но если будет импульс высокого напряжения, сопротивление этого фильтра моментально упадет, за счет чего электроэнергия преобразуется в тепловую, что обезопасит ваше оборудование. В такой момент сила тока, пропускаемого по варистору, может составить тысячи ампер.

  • LC-фильтр. Его назначение — подавление высокочастотных помех (от 100 Гц до такого же количества Ггц). Их может вызвать сосед, делающий ремонт с перфоратором или сварочным аппаратом, расположенная рядом стройка с включенным генератором и т. п.

Этот фильтр состоит из катушек индуктивности: L снижает резкие перемены в токе, а С — высокочастотные колебания. Также в него входит включенный параллельно нагрузке конденсатор емкостью 0,22 – 1,0 мкФ.

Еще в комплектацию многих сетевых фильтров входят плавкие предохранители для дополнительной защиты варистора. А также все модели предполагают кнопку, нажав которую вы можете одновременно прервать подачу питания ко всем включенным устройствам.

Технические особенности

Тех, кто близко знаком с электрикой, может заинтересовать вопрос «способен ли сетевой фильтр защитить оборудование без заземления на заземляющем контакте?». В целом, качественный фильтр не нуждается в нем.

Все же в характеристиках должны стоять пометки «защита 3-х фаз» или «фаза-ноль, фаза-земля, ноль-земля защита». Это значит, что для каждой фазы предназначен отдельный варистор. Благодаря чему ваши устройства будут защищены от импульсных скачков. В то время как LC-фильтр способен полноценно функционировать и без заземления.

Что еще вам стоит знать? Сетевой фильтр предназначен, в основном, для компьютеров, принтеров, сканеров, мобильных гаджетов, музыкальных центров, телевизоров и т. п. техники. Так как она восприимчива к перепадам напряжения. Включать в них бытовые приборы не имеет смысла, ведь от этого, к примеру, миксер не начнет лучше взбивать или пылесос — сильнее убирать мусор.

Основы выбора

Мне удалось убедить вас в полезности сетевого фильтра? Тогда рассмотрим основные моменты, на которые нужно обращать внимание при покупке:

Цена. Зачастую, по подозрительной низкой стоимости продаются просто удлинители с кнопкой. В лучшем случае в них присутствует один варистор с заземляющим контактом, термопрерыватель и предохранитель максимум на 30А, который сгорит при первом удобном случае.

Хорошим вариантом по приемлемой цене можно считать устройства, например, фирмы Пилот. Не забывайте, что сэкономив на фильтре, вы можете заплатить гораздо больше за починку своей техники.

  • Количество розеток. Этот фактор, кстати, тоже влияет на стоимость фильтра. Поэтому если вам предложат по одной цене устройство с 3 и 8 розетками, стоит задуматься о качестве последнего.
  • Максимальная нагрузка. Помните, купив фильтр с большим количеством розеток, это еще не значит, что сразу стоит подключать к ним всю имеющуюся технику. Убедитесь, что ее мощность не превышает возможности сетевого устройства.
  • Пользуетесь стационарным телефоном или факсом? Существуют фильтры со схемой сглаживания перебоев в телефонной линии.

  • Поглощаемый импульсный выброс. Исчисляется в джоулях. Чем выше их число, тем краткосрочные скачки большей силы может погасить фильтр.
  • Длина провода. Перед покупкой лучше рассчитать, на каком удалении будут находиться розетки от приборов.

Как бы далеко не шагнуло развитие в области электричества, все равно люди нередко продолжают сталкиваться с различными проблемами, возникающими при работе электр осетей. Скачки напряжения и различные помехи – частые гости многих квартир, домов, а также административных и офисных зданий. Подобные явления оказывают сильное негативное влияние на функционирование всего подключенного к сети оборудования, большая часть из которого отличается довольно высокой стоимостью.

Сегодня в любом жилом и административном помещении находится огромное количество различной дорогой техники, которую необходимо защитить от непредвиденных перебоев в работе электричества, чтобы избежать больших финансовых потерь и снизить риски возникновения пожаров.

Сетевые фильтры – отличный способ защитить оборудование от вероятных помех. Но, прежде чем приобрести данное устройство, необходимо разобраться в его особенностях и понять основное предназначение.

Роль сетевого фильтра

Далеко не новость, что электропитание в наших домах и квартирах редко совпадает с теми, что рекомендованы ГОСТом, т.е. напряжение 220В (+-10%) при номинальной частоте 50 Гц (допустимая погрешность 1 Гц). Электрические станции обеспечивают энергией большое число потребителей, а это напрямую влияет на возрастание нагрузки и, соответственно, на сильные перепады в напряжении (как вверх, так и вниз). Кроме того, на станциях также изменяется частота напряжения, что является причиной сбоев в работе компьютерной и бытовой техники. Даже несмотря на то, что современные электроприборы оснащены встроенными защитными блоками и предохранителями, все равно не осуществляется полноценная защита от скачков напряжения. Самым частым последствием подобных ситуаций является выход из строев блока питания. Он перегорает и, соответственно, прекращается работа электротехники, в число которой чаще всего входят компьютеры, музыкальные центры, DVD-плейеры, телевизоры . Более надежной защитой обладают холодильники, морозильные камеры, стиральные и посудомоечные машины, микроволновые печи . Хотя, нередки случаи, когда и такая бытовая техника мгновенно выходит из строя, не выдерживая перепадов в сети.

Самым надежным вариантом защиты от перебоев в работе электричества яв ляются сетевые фильтры . Именно через них должна подключаться вся техника в квартире, чтобы сгладить возникающие помехи перед подачей напряжения. Благодаря поглощению скачков и искажений обеспечивается самая оптимальная защита различных приборов.

Конструкция сетевых фильтров

Варистор (переменный резистор) – одна из основных частей любого сетевого фильтра, работающая одновременно с тем оборудованием, которое нуждается в защите. Принцип работы варистора следующий : в рабочем состоянии это – изолятор, но в момент повышения напряжения сопротивление падает, тем самым происходит преобразование электроэнергии в тепло, что и обеспечивает защиту. Иными словами, переменный резистор преобразует энергию кратковременных перепадов в тепло, рассеивая ее.

Режектор – не менее важная составляющая часть сетевых фильтров, которая защищает оборудование от помех высокой частоты. Данные помехи появляются в том случае, если рядом от вашего дома работают мощные электрические двигатели или генераторы.

Кроме варистора и режектора в сетевые фильтры встроена специальная система защиты , которая предназначена для прекращения подачи энергии в момент длительного повышения напряжения.

Как правильно выбрать сетевой фильтр?

Современный рынок изобилует различными моделями сетевых фильтров, которые отличаются между собой не только производителем, но и определенными техническими характеристиками. Но несмотря на то, к какой модели относится тот или иной фильтр, ко всем устройствам предъявляются очень высокие требования безопасной эксплуатации.

Технические характеристики, которые необходимо учитывать при выборе сетевого фильтра:

  • показатель номинального напряжения (220-230 Вт). Существуют устройства, способные оказать защиту от нагрузок с показателем выше 300 Вт;
  • величина максимальной нагрузки (кВт), показывающая ту мощность, которую может перенести предохранитель в сетевом фильтре;
  • максимальный поглощаемый импульсный выброс (Дж). Чем выше данный параметр, тем лучше. Это объясняется тем, что фильтру будет проще справиться с сильными краткосрочными перебоями;
  • наличие термопредохранителя – автоматизированная защита от перегрузок и коротких замыканий;
  • число розеток для подключения электротехники. Но при этом стоит обратить внимание на максимальный предел нагрузки (читайте чуть выше). То есть, к одному сетевому фильтру можно параллельно подключить и блок питания, и монитор компьютера, и акустическую систему и др. Также сейчас выпускаются специальные устройства, предназначенные для осуществления бесперебойного функционирования модемов/факсов. К таким фильтрам относятся модели с наличием защиты телефонных линий;
  • качество исполнения и материал изготовления. Важно, чтобы сетевой фильтр был устойчив к температурам, поскольку варистор имеет свойство нагреваться до довольно высоких пределов. Кроме того, короткие замыкания очень часто становятся причиной возгораний. Качественные и надежные устройства изготавливаются из негорючего пластика, который устойчив к ударам.;
  • надежность используемых проводов, а также качество их соединений;
  • длина провода очень важна, потому что нередко сетевой фильтр применяют в роли удлинителя для подключения разного рода приборов;
  • наличие удобного выключателя на корпусе, который помогает мгновенно прекратить подачу электроэнергии в чрезвычайных ситуациях;

Стоит помнить, что изобилие товаров не го ворит о высоком качестве и надежности всех продаваемых приборов. Сегодня рынок отличается как большим ассортиментом, так и большим количеством подделок. Большая проблема в том, что очень сложно отличить хорошо подделанное устройство от качественного сетевого фильтра . Для того, чтобы избежать приобретения некачественного изделия, перед покупкой необходимо внимательно ознакомиться с техническим паспортом, а также не экономить, ведь надежный сетевой фильтр не может иметь очень низкую цену.

Торговая сеть "Планета Электрика" имеет широкий ассортимент сетевых фильтров , а также иных электроустановочных изделий , с которыми более подробно Вы можете ознакомиться в нашем каталоге .

Как устроены и работают сетевые фильтры в бытовых приборах и нужны ли они?

Как устроены и работают сетевые фильтры?
В бытовой домашней электросети, которая приходит в наши квартиры, имеется большое количество всплесков (бросков) напряжений, которые возникают на очень короткое время и имеют порой достаточно большую амплитуду, возникающие в следствии переходных процессов, наведенные молнией, грозовыми разрядами и др.
Всплески от переходных процессов, порожденные оборудованием, причиной которых разряды запасенной энергии индуктивными и емкостными элементами. Электродвигатели используемые в лифтах, системе отопления, кондиционирования, охлаждения и другие индуктивные нагрузки создают непрерывный поток всплесков разной амплитудой до 1000В. Приводы постоянного тока, с переменной скоростью вращения, импульсные источники питания, переносной электроинструмент и т.п. являются так же источниками переходных процессов и следовательно, дополнительных всплесков напряжений.
Пример схемы подавления импульсного перенапряжения состоит из варистора (VDR)и газового разрядника (GDT), соединенных последовательно. Схема предназначена для защиты чувствительных электронных устройств от перенапряжения, переходных процессов, и короткого замыкания.
   Схема защиты включается в разрыв между источником напряжения, в данном случае это розетка, и нагрузка. В обычном нормальном режиме ток не протекает через GDT и VDR1, но когда напряжение становится больше, чем сумма напряжения срабатывания GDT и VDR1 (GDT UZ470B и VDR S20K250 общее напряжение 250v), то ток начинает протекать через элементы. Чем больше превышение напряжение, тем больше протекает ток через GDT и VDR1.
   При уменьшении напряжения до нормального значения, схема переводится в исходное состояние. Из-за физических свойств разрядника и варистора, протекающий ток через защитные элементы не увеличивается больше определенного значения в течение короткого периода времени. Когда напряжение возвращается к нормальному значению, ток через элементы G1 и VDR1 прекращается, схема возвращается к обычному режиму.
Если протекающий ток значительно увеличиться, то срабатывает защитный предохранитель, нагрузка обесточивается. Две неоновые контрольные лампы, примененные в схеме, показывают наличие напряжения на входе и на нагрузке.
* VDR варистор - полупроводниковый резистор, представляет собой электронный компонент имеющий нелинейную вольт амперную характеристику (ВАХ). Название происходит от английского слова - переменный резистор.
Подобные схемы часто используются для защиты цепей от чрезмерных переходных напряжений путем включения их в схему таким образом, что при их срабатывании, они будут шунтировать возникающий чрезмерный ток, создаваемый высоким напряжением для чувствительных компонентов. Задача VDR еще в том, чтобы защитить от увеличения тока через устройства, когда напряжение становиться чрезмерным.
Преимущества
1) Нормальное рабочее напряжение 230V AC / DC
2) Максимальная номинальный ток 16A
3) Максимальный ток 16A
4) Напряжения отключения => 300В RMS
5) Защита от перегрузок.
6) Защита от короткого замыкания.
Применение
1) Защита чувствительных компонентов.
2) Защита двигателя.
3) Защита телефонных линий.

Самому собрать фильтр

Схема высококачественного сетевого фильтра.
Высококачественный сетевой фильтр позволяет отфильтровать помехи и кратковременные импульсные скачки напряжения. Особенно актуальна схема для проживающих в поселках, где электричество подводится по воздушным линиям и когда во время грозы, при разрядах молний наводится высокое напряжение. Детали применяются от ненужных компьютерных блоков питания, которые могут заваляться дома или выбрасываются на работе - дайте им вторую жизнь! Необходимо намотать симметрирующие дроссели-трансформаторы, варисторы и конденсаторы выпаять из блоков питания, лучше всего подойдут класса Y2 и X2.
Номиналы элементов для фильтра могут иметь значения:
  1. Конденсаторы С2-4 серии Y2 номиналом по 0,047 мкФ (стандартные конденсаторы из БП например, Kh572N)
  2. Конденсаторы С1, С5 серия класса Х2, номинал 0,47МкФ.
  3. GAS - разрядник типа BHS 2500V.
  4. Варисторы MV, диаметр корпуса 20мм (можно 25 и более), напряжение пробоя 470В.
  5. Трансформаторы TR1-TR2 имеют две обмотки 2*10 витков, намоточный проводом сечением 2кв.мм. В качестве сердечника использованы кольца от симметрирующего трансформатора 350 Ватного компьютерного блока питания.
  6. L1, L2 - ферритовые стержни проницаемостью М2000, намотано 10 витков проводом, желательно пропитать эпоксидным лаком.
Розетки можно дополнительно зашунтировать разрядными резисторами номиналом 470 КОм, мощностью 0,5 Вт (для того чтобы не щелкало, правильнее составить из двух резисторов общим номиналом)
Для исключения резких бросков тока добавьте последовательно с каждым варистором резистор 1Вт по 10Ом.
Для исключения возгорания и разлета осколков керамики, наденьте сверху на варисторы термоусадочную трубку.
Бытовые фильтры-удлинители и схемы фильтров применяемые в них. Задумывались Вы, что Вам необходимо:просто удлинитель или удлинитель с фильтром?
Если Вы подключаете электрический чайник, лампу освещения, то конечно, фильтр здесь абсолютно не нужен, зачем тратить деньги впустую. Здесь важно качество розеток в удлинителе, толщина провода и его длина, но в тоже время излишняя длина не нужна, иначе придется сматывать в клубок.
Если несколько бытовых приборов расположенных рядом друг с другом, для подключения можно использовать тройник. А что делать, если дорогая бытовая техника: телевизор, компьютер, аудиоцентр, то в этом случае ответ однозначен - надо защищать приборы как минимум сетевым фильтром.

Удлинитель типа Пилот

  • Бытовая техника, такие как микроволновые печи, холодильники, электрочайники, стиральная машины не должны подключаться через удлинитель. Они должны подключаются непосредственно в электрические стационарные розетки в квартире.
  • Запрещается перегружать розетки, удлинители по потребляемой мощности (току)!
  • В случае срабатывания автоматических выключателей - это является предупреждением что линия перегружена, не следует ни в коем случае игнорировать!
  • Если Вы не знаете какое количество оборудование может быть подключено к одной розетке или удлинителю, уточните у профессионалов, в крайнем случае спросите в жэке...
  • Не пользуйтесь вилками, не имеющие контакт для заземления (металлический лепесток).
  • При использовании электрооборудованием расположенного возле источника влаги, оно в обязательном порядке должно подключено к защитному заземлению.
  • Не пользуйтесь удлинителями имеющие признаки повреждений, или при работе шнур удлинителя нагревается!

 

Сетевые фильтры. Как выбрать. Устройство и виды. Применение

Параметры электрических сетей далеки от идеала, и реализовать это практически невозможно. Оборудование генераторов, проводки, подстанций изношены. При работе с бытовыми приборами мы отключаем и включаем их в сеть, а мощность у них бывает большая. Даже в объеме своей квартиры возникают перепады напряжения, с которыми ничего не сделать. Угадать, когда будет повышение или понижение напряжения в сети, тоже невозможно.

Старые образцы бытовой техники не были так чувствительны к «сюрпризам» сети питания. Современная техника состоит из чувствительной электроники, которой она начинена по полной программе. Самый простой и недорогой метод защиты электроустройств от неисправностей – подать на них питание используя сетевые фильтры.

Для чего нужны сетевые фильтры

Если не знать задач, выполняемых сетевым фильтром, то невозможно правильно его выбрать. Существует несколько задач, которые решает фильтр, и его назначение.

Защита от скачков напряжения

В паспорте или инструкции каждого устройства даны значения номинального напряжения. В условиях гарантии обычно указывают одним из пунктов, что гарантия сохраняется при качественном сетевом питании. Если это не будет соблюдено, то права покупателя на бесплатный ремонт или замену изделия в течение гарантийного периода аннулируются.

Обычно в одной линии питания подключены несколько разных по мощности и специфике работы технических устройств. Это неизбежно ведет к скачкам и перепадам параметров сети. Отключения и включения холодильников, в одном подъезде дома заметно влияют на нагруженность линии. Но ведь в сети подключены не только бытовые приборы, есть и другие потребители.

Фильтрация напряжения

Это свойство выполняет сглаживание помех напряжения сети питания. Они вызываются подключением в сеть приборов различных типов, повреждением, ухудшением, износом изоляции электрической проводки, коротким замыканием. Помехи образуются на линии близко расположенными объектами, от которых идут электромагнитные сигналы. Это чаще всего, антенны для разных целей. Отсутствие заземления также вызывает помехи и нарушение параметров сети. Некачественное заземление тоже не делает идеальным сеть питания.

В дома старой постройки заземление не заведено, подключены только фаза и линия. Вилки в стиле «евро» оказываются бесполезными, так как контакт для «земли», имеющийся на них, никуда не подключается. Такими вилками пользуются как обычными вилками без заземления, эффекта никакого нет. Многие электронные устройства бытовой техники часто дают сбои, зависания, поломки. Возникает необходимость в дополнительной настройке или перезагрузке параметров.

Можно сделать вывод, что сетевой фильтр похож на источник питания, но без аккумуляторов. При отключении фильтра информация на компьютере, подключенном к фильтру, не сохранится. Поэтому вряд ли стоит использовать сетевые фильтры как бесперебойники.

Устройство и схемы

Схема этого девайса несложная. Для достаточного понимания работы этого прибора, нужно разобраться, как гасить помехи от скачков и перепадов сети питания. Возьмем резисторы. Их сопротивление не имеет зависимости от силы тока, проходящего через них. Емкость и индуктивность зависят напрямую от тока. Чем больше напряжение и сила тока, тем выше возрастает сопротивление катушки.

Такое свойство используется в сетевых фильтрах для исправления коротких скачков сети питания с большим размером. Устанавливают две катушки в нулевой и фазный проводник. Индуктивность их может находиться в очень широком интервале: 60-200 микрогенри.

1 — Конденсатор (Удаляет помехи)
2 — Балансировочный дроссель
3 — Конденсаторы (Удаляют помехи)
4 — Многоразовый термопредохранитель
5 — Индукторы с сердечниками (Для фильтрации шумов и небольшого понижения напряжения при необходимости)
6 — Варисторы (Абсорбируют скачки тока)

В сетевых фильтрах нельзя применять резисторы со значительным сопротивлением, это ведет к падению напряжения. Наибольшее сопротивление допускается устанавливать равным 1 Ом.

По подсчетам специалистов среди многих моделей фильтров сегодня наиболее эффективными стали фильтры сети LC. В их конструкции находятся конденсаторы и катушки индуктивности. Емкость колеблется в интервале 0,22-1 мкФ. Нужно учесть, что разность потенциалов конденсатора должно отличаться в два раза от напряжения сети в большую сторону на случай большого перепада напряжения.

L – катушка, выравнивающая скачки (перепады) тока.

С – емкость (конденсатор), гасящий большие скачки напряжения.

Рассмотрим помехи от импульсов. Импульсы можно погашать варистором – полупроводниковым элементом. Это тот же резистор, в обычном режиме при малом напряжении он имеет высокое сопротивление, ток через него не идет. При подъеме тока в линии питания до номинального значения вариатора, его сопротивление резко падает, и он пропускает через себя ток.

Схема сетевого фильтра

В итоге, фильтр сети для питания электронных приборов должен состоять из:
  • Двух катушек (последовательная схема).
  • Варистора.
  • Конденсаторы (параллельная схема).

Все составные элементы подбираются по нагрузке сети. Ток номинала элементов рассчитывается от мощности потребления бытового прибора. Кто захочет своими руками собрать сетевой фильтр, то этот факт будет иметь важное значение.

Сетевые фильтры для подключения бытовых приборов в квартире

Внешне фильтры не отличить друг от друга, однако, видов таких устройств множество.

Уровни защиты
Существуют три главных стандартных уровня защиты, которые делают различимыми конструкции сетевых фильтров:
  • Базовый уровень защиты. Недорогие простые фильтры сети.
  • Фильтры универсального назначения. Их приобретают для бытовых нужд. Преимущество таких моделей сочетание возможности различных типов защиты и цены. Возможности не максимальные, но для применения в быту достаточны.
  • Высокий класс. Такие фильтры устанавливают для подключения бытовой техники, которая стоит дорого, например, плазменного телевизора. Такие фильтры используют как профессиональные приборы.
Значение импульса компенсации

Эта величина указана в инструкции в килоджоулях. Чем больше это значение в паспорте, тем фильтр защитит прибор от большего перепада напряжения. Для домов садовых участков, загородных домов, массовых построек характерен перекос фаз, поэтому этот параметр для них наиболее важен.

Блокировка от перегрева

Положительным моментом для сетевого фильтра является наличие в нем теплового реле. Во время излишней нагрузки оно отключит питание прибора, тем самым предотвратив неисправность и выход из строя.

Число розеток

Многие сетевые фильтры имеют розеточные гнезда для подключения потребителей в количестве до 10 штук. Поэтому важно перед приобретением фильтра необходимо рассчитать, сколько и каких по мощности приборов вы будете подключать к нему, сделать сравнение с паспортными данными.

Все подключаемые приборы могут быть включены одновременно, нужно сложить все мощности в сумме и сравнить с мощностью сетевого фильтра. При вычислениях надо делать запас около 30%. Иначе провода питания могут не выдержать нагрузки, и изоляция будет плавиться, что приведет к пожару.

Размер между розетками

Казалось бы, что расстояние между розетками одинаково во всех фильтрах. Если почти все розетки будут заняты потребителями питания, а нужно еще подключить адаптер блока питания, то выходящие шнуры от розеток могут мешать установить адаптер. Для таких случаев целесообразно применять сетевые фильтры с корпусом, увеличенным в размерах. Он занимает больше места, но необходим в подобных случаях.

Номинальный ток

Это значение параметра зависит от мощности прибора. Для мощной бытовой техники лучше выбрать фильтр сети с номинальным током более 10 ампер. Несложно сделать простой расчет, зная закон Ома, открыть в инструкции данные, сетевое напряжение всем известно – 220 вольт.

Длина провода

Длина шнура фильтра должна удовлетворять потребность в месте установки, чтобы ее хватало для монтажа. Лишняя длина увеличивает цену устройства, а на работу влияния не оказывает.

Вспомогательные функции сетевых фильтров

Сетевые фильтры могут иметь несколько дополнительных опций, которые не играют важной роли, но могут когда-нибудь пригодиться, часто встречающиеся из них:
  • Опция микроконтроллера. Имеется внутренний таймер для включения и выключения напряжения по времени.
  • Защиты на каждую линию питания отдельно. Такие устройства дорогостоящие, напротив каждой розетки есть свой выключатель и предохранитель. Этим обеспечивается защита. Такие сетевые фильтры лучше применять при работе сразу многих устройств разного типа в разных направлениях.
  • Защиты от пыли, несанкционированного включения и т.д.
  • Фиксатор для закрепления шнуров питания. Подключение в одно время к фильтру нескольких приборов техники ведет к образованию запутанных пучков проводов. Фиксатор помогает навести в этом порядок.
  • Гнезда для монтажа на вертикальной плоскости.
Как выбрать сетевые фильтры
  • Материал изготовления контактов. О качестве изделия говорит материал контактов. Контакты должны быть из цветного металла, можно проверить магнитом. Цветной металл к магниту не притягивается. Если изготовитель неизвестен, то проверить нужно обязательно. Некачественный металл будет нагреваться, контакты подгорят, расплавят корпус фильтра.
  • Длина сетевого кабеля. Добросовестный изготовитель не допустит большого отклонения от размеров кабеля. По паспорту можно проверить и измерить его длину. Если длина отличается, значит, остальные параметры тоже можно поставить под сомнение.

Правильно выбрать сетевой фильтр непросто. Нужно приобретать конструкцию фильтра из расчета разумности и достаточности.

Похожие темы:

Схема изготовления сетевого фильтра под напряжение 220В

Работа электротехнических и электронных устройств происходит за счёт питания сетевым током. Энергопоток через провода приносит с собой сателлитные электромагнитные поля. Они несут угрозу точности выполнения своих функций абонентами электросети. Решить этот вопрос могут сетевые фильтры (СФ). Их всегда можно купить в виде сетевых удлинителей. Зная схему сетевого фильтра, устройство несложно собрать своими руками.

Сетевой фильтр

Принцип работы сетевого фильтра

Напряжение переменного тока в сети 220 в изменяется в синусоидальном виде. Правильная форма электрического импульса «загрязняется» электромагнитными помехами. Синусоида выглядит в виде изгибающейся линии чистого сигнала, окружённой вязью блуждающих токов, вызванных фазными перекосами, подсадками и всплесками напряжения.

График сетевого тока

Сопровождающие помехи влияют на чувствительные компоненты электронных схем различных приборов и аппаратуры. Возникает проблема очистки тока от паразитных образований. Для этого применяют сетевой фильтр (СФ).

СФ встраивают между источником сетевого тока и потребителями. Он состоит из соединённых в определённом порядке дросселей и конденсаторов. Работа фильтра – выстраивание индуктивного сопротивления катушек, не пропускающего помехи высокой частоты. Ёмкости устройства отсекают нежелательные помехи. Конденсаторы замыкают цепь и не пропускают паразитные импульсы.

Устройство простого сетевого фильтра

СФ бывают двух видов:

  1. Встроенные.
  2. Стационарные – многоканальные.

Встроенные

Компактные платы СФ являются частью внутреннего устройства различного электронного оборудования. Ими оснащается компьютерная и другая сложная техника.

Плата встраиваемого сетевого фильтра

На фото видно устройство СФ. На плате установлены следующие детали:

  • VHF – конденсатор;
  • тороидальный дроссель;
  • добавочные конденсаторы;
  • варистор;
  • индукционные катушки;
  • термический предохранитель.

Варистором называют резистор с переменным сопротивлением. При превышении нормативного порога напряжения (280 в) его сопротивление может уменьшиться в десятки раз. Варистор выполняет функцию защиты от импульсного перенапряжения.

Стационарные – многоканальные

Корпус прибора имеет несколько розеток. Благодаря этому, есть возможность подключить через фильтр всю имеющуюся электротехнику в одном помещении к одной розетке. Для очистки от радиопомех высокой частоты применяется простой LC-фильтр. Несгораемые термопредохранители предотвращают скачки напряжения. В некоторых моделях применяются одноразовые плавкие предохранители.

Самостоятельное изготовление сетевого фильтра

Сделать самый простой сетевой фильтр своими руками в домашних условиях радиолюбителю будет совсем не трудно. Для этого нужно встроить небольшую схему внутрь корпуса сетевого удлинителя с несколькими розетками. На нижнем рисунке показано, как это сделать.

СФ своими руками

Устанавливают СФ в удлинителе следующим образом:

  1. Вскрывают корпус сетевого удлинителя.
  2. В параллельные ветви после выключателя и варистора впаивают резисторы R1, R2 и дроссели (индуктивные катушки) L1, L2.
  3. Затем ветви поочерёдно замыкают через конденсатор С1 и один резистор R3.
  4. Установка концевого конденсатора С2 может быть сделана в любом месте между розетками.

Важно! Если внутри корпуса удлинителя не найдётся места для второго конденсатора С2, то можно обойтись без него. Достаточно скорректировать параметры С1.

Дроссели применяются с незамкнутыми ферритовыми сердечниками индуктивностью от 10 мкГн. Конденсаторы подбираются в диапазоне 0,22-1 мкФ. Сопротивление резисторов коррелируют с планируемой мощностью потребителей. При нагрузке 500 Вт потребуются резисторы 0,22 Ом. Сопротивление R3 должно быть не меньше 500 кОм.

Видоизменённая схема

Вышеописанную схему нередко модернизируют. Применяя катушки с другими параметрами, обходятся без резисторов. Для этого берут дроссели с высокой индуктивностью – 200 мкГн. Вместо старой ёмкости впаивают конденсатор, рассчитанный на 280 в.

Видоизменённая схема СФ

Схема СФ защиты от сетевых помех

Типовая схема сетевого фильтра является основой всех устройств такого типа за исключением дополнительных мелочей. Классикой является подключение к точкам: Земля, Фаза и Ноль. На входе устанавливается варистор VDR 1. Он подавляет всплески напряжения сетевого тока. При высоком скачке напряжения сопротивление варистора резко падает, этим он не пропускает помеху далее по схеме.

Для гашения небольших изменений напряжения используются дроссель Tr1 и три ёмкости С. Конденсаторы С1, С2 и С3 – реактивные радиодетали, постоянно меняющие уровень сопротивления. Оно при изменении частоты тока резко возрастает.

Нормальный ток беспрепятственно проходит через фильтр. В то же время помехи высокой частоты задерживаются в СФ. Сопротивление фильтра находится в прямой пропорциональной зависимости от величины частоты тока. Оба показатели одновременно возрастают, что позволяет задерживать помехи на пути к потребителю.

Обратите внимание! Трёхпроводная сеть питания может подвергаться возникновению помех на участках фаза – ноль, земля – фаза, земля – ноль. Эффективное подавление таких негативных явлений осуществляется нормальным стандартным заземлением СФ.

Пути улучшения схемы фильтра

Существует множество вариантов улучшения схемы сетевого фильтра. Один из них отличается остроумием и позволяет существенно экономить потребляемую электроэнергию. Суть метода заключается в следующем:

  1. Вскрывают корпус многоразъёмного СФ удлинителя.
  2. Одну из токоведущих шин разрезают.
  3. Отрезки соединяют с 5 вольтовым реле, рассчитанным на коммутацию тока 3А, 250 в.
  4. Два других контакта реле соединяют проводами с USB разъёмом на конце.
  5. Разъём подключают к USB входу телевизора.

В результате получается управляемая система питания, состоящая из ТВ, цифровой приставки и блока питания спутниковой антенны. Если ранее при выключении телевизора все части системы оставались в режиме ожидания, то с модернизированным фильтром они полностью отключаются. Стоит с пульта включить телеприёмник, как все коммутированные приборы тоже приводятся в действие и наоборот.

Дополнительная информация. Различные модернизированные СФ всегда можно найти на радиорынке, но стоят они довольно дорого. Поэтому намного выгоднее сделать усовершенствование устройства своими руками.

В другом случае идут по пути добавления в СФ LC-фильтра, который, помимо гашения помех от сети, понижает взаимно возникающие электрические помехи от подключённых потребителей.

Штатный варистор (470 в) часто не вызывает срабатывание автоматического предохранителя. Его меняют на аналогичное устройство, рассчитанное на напряжение 620 в. Это позволяет подавлять помехи от работающей стиральной машины, пылесоса и другой мощной электротехники.

Домашние мастера оснащают сетевые фильтры-удлинители звуковой сигнализацией. При превышении в сети уровня напряжения 280 в фильтр оповещает об этом сигналом.

Сетевой фильтр с 2-х обмоточным дросселем

СФ на основе дросселя с двумя обмотками применяют для чувствительной аудиотехники. Звуковые колонки чутко реагируют на помехи сетевого питания. Если таковые возникают, то динамики искажают звук и испускают посторонний фоновый шум. Радиоаппаратура, подключённая к сети через СФ с 2-х обмоточной катушкой, защищена от таких помех.

Схему собирают на отдельной печатной плате. Потребуются несколько конденсаторов и самодельный дроссель. Его изготавливают следующим образом:

  1. Кольцо из феррита марки НМ с показателем магнитной проницаемости от 400 до 3000 можно взять из старой электротехники.
  2. Магнитопровод оборачивают тканью и покрывают лаком.
  3. Для обмотки применяют провод марки ПЭВ. Его площадь сечения зависит от величины нагрузки. Мощные потребители требуют существенного увеличения этого параметра.
  4. Намотку ведут двумя проводами в разных направлениях.
  5. Делают 10, 12 оборотов каждого проводника.
  6. Конденсаторы устанавливают в начале и конце схемы. Они должны выдерживать напряжение до 400 в.

СФ с 2-х обмоточным дросселем

Обмотки катушки индуктивности включаются в последовательном порядке. Поэтому магнитные поля катушки взаимно поглощаются. При прохождении тока высокой частоты резко возрастает сопротивление дросселя. Ёмкости поглощают и закорачивают помехи.

Печатную плату помещают в отдельный металлический корпус. В крайнем случае схему отгораживают металлическими бортиками. Это делается с целью исключения дополнительных помех от блуждающих электромагнитных полей.

С каждым новым поколением электронного оборудования предъявляются повышенные требования к качественным характеристикам сетевого тока. Чтобы не заниматься ремонтом чувствительной электроники, нужно обязательно подключать её через сетевые фильтры. Если фильтровать ток нужно для небольшого количества потребителей, то можно пойти по экономному пути и изготовить сетевой фильтр своими руками.

Видео

Сетевой фильтр и качество напряжения бытовой электропроводки

Домашняя электрическая сеть таит в себе много сюрпризов, о которых подчас даже не подозревает неискушённый пользователь без соответствующего образования. Знание их позволит улучшить качество работы электроники и сбережет не только материальные затраты на приобретение нового оборудования, но и время с нервными клетками, потраченные на устранение неожиданных поломок.

Наши советы объясняют домашнему мастеру принципы обеспечения нормального электропитания для бытовых электронных приборов через сетевые фильтры и защиты с поясняющими картинками, схемами и видеороликом.


Содержание статьи

Что делает сетевой фильтр

Качество напряжения в домашней проводке

На бытовой электрической розетке написано, что она создана для сети 220 вольт 50 герц. Стоит ли безоговорочно верить этим цифрам?

Даже основной документ электриков — ПУЭ допускает отклонение этой величины по амплитуде до ±10% от номинала, то есть от 198 и до 242 вольт, что считается нормой. В реальной же жизни напряжение может колебаться в значительно больших пределах. Причем, обещанную нормативами идеальную гармонику синусоиды очень часто нарушают различные высокочастотные помехи.

Они появляются от проникновения в сеть в/ч сигналов помех из различных источников в результате коммутаций множества аппаратов в схеме питания, возникновения апериодических составляющих, разрядов перенапряжений на высоковольтной стороне трансформаторной подстанции и по многим другим причинам.

Синусоида искаженной формы от высокочастотной помехи не влияет на работу резистивных нагрузок с тэнами, лампами накаливания. Она в большинстве случаев допустима для обеспечения вращения простых электродвигателей, но вредна при эксплуатации компьютеров, телевизоров, устройств сложной электроники. Им нужна надежная защита от помех питания.

Назначение фильтров

Появление подобных в/ч помех невозможно предвидеть, а потребителям остается только устранять их автоматическими устройствами. Полностью исправить форму искаженной синусоиды может только специальный стабилизатор напряжения.

Сетевой фильтр не обладает такими возможностями. Он создается с задачей — пропустить через себя искаженную высокочастотной помехой гармонику так, чтобы на выходе максимально отсеять высокочастотные помехи и сгладить ее форму до приемлемого состояния. Причем амплитуду напряжения он регулировать не может.

Эту его особенность необходимо хорошо представлять перед тем, как пойти в магазин чтобы купить фильтр сетевой для своего компьютера и подключить по следующей схеме.

Сетевой компьютер для выполнения ответственной работы подключают со схемой резервирования питания.

На картинке видно, что обычно сетевой фильтр используется в качестве первого каскада сглаживания пульсаций при передаче электроэнергии от розетки к источнику бесперебойного питания и неответственному периферийному оборудованию, например, принтеру. Качественное напряжение на системный блок и монитор компьютера обеспечивает ИБП.

Эту особенность важно представлять и в том случае, когда вы создаёте проводные и беспроводные сети для своей квартиры.


Принцип работы

По своей функциональности сетевые фильтры подразделяются на:

  1. простые приборы с защитой от кратковременных перенапряжений и сверхтоков;
  2. электронные индуктивно-емкостные схемы;
  3. комбинированные устройства.

Простые фильтры

К ним относят варисторные изделия, которые в своем составе имеют:

  1. варистор, отекающий кратковременный пик перенапряжения;
  2. биметаллический контакт или предохранитель, работающий в качестве максимальной токовой защиты.
Фильтры с варисторами

Они могут изготавливаться отдельным полупроводником или сборкой из них.

Единичный модуль

Один варистор используется в самых простых защитах.

При номинальном электроснабжении сети он обладает большим электрическим сопротивлением и ток через себя не пропускает. Если же напряжение возрастает до критической величины порядка 470 вольт, то полупроводниковый переход варистора пробивается и устраняет перенапряжение замыканием потенциалов сквозь свой внутренний переход, что сопровождается выделением тепловой энергии.

Сборка варисторов

Классическая схема собирается на основе треугольника с заземлением средней точки. Варисторы фильтра защищают нагрузку от симметричных и асимметричных перенапряжений в сети.

Заземление повышает эффективность работы схемы, отводит помехи по дополнительному проводу, подключенному к контуру земли.

Дешёвые сетевые фильтры с отдельной варисторной сборкой, широко используются в быту. Они фильтрацией сигналов помехи высокочастотного напряжения не занимаются, а могут ограничивать только импульс перенапряжения.

Защита от сверхтоков

Высокое напряжение, проскочившее через варисторы при отказе их работы или по другим причинам, создает повышенные токи нагрузок на подключенном оборудовании. Для их ограничения на сетевой фильтр устанавливают токовые защиты:

  1. предохранитель;
  2. или автоматический отсекатель токов многоразового использования.

Второй вариант предпочтительнее: для ввода в работу после срабатывании защиты достаточно нажать на соответствующую кнопку. Это удобнее, чем вскрывать корпус и менять предохранитель, который еще надо предварительно найти.

Электронные LC схемы

Принцип работы защиты

Электрическое сопротивление резистивных элементов не изменяется от рода тока, который протекает сквозь них. Совсем иная картина складывается у реактивных элементов:

  • емкостей;
  • индуктивностей.

Их сопротивление находится в прямой зависимости от частоты сигнала.

Сетевой фильтр с индуктивностью резко увеличивает сопротивление для прохождения токов высокой частоты. Для этого достаточно последовательно к нагрузке разместить в каждом проводе фазы и нуля по одной катушке с индуктивностью порядка 60÷200 мкГн.

Помехи низких частот можно гасить резистивным сопротивлением до 1 Ома, но лучше использовать конденсатор, подключенный параллельно к нагрузке с номиналом в пределах 0,22÷1,0 мкф, создавая минимум двойной запас для его работы по напряжению.

На основе этого принципа создаются различные схемы фильтров снижения высокочастотных помех.

У LC фильтров одновременно работают два закона коммутации:

  1. индуктивность гасит резкие повышения тока;
  2. конденсатор подавляет высокочастотные броски напряжения.

Комбинированные устройства

Элитные сетевые фильтры сочетают в себе принципы работы обеих схем защиты:

  1. варисторных сборок, устраняющих импульсы перенапряжений;
  2. и LC контуров, гасящих высокочастотный сигнал помехи.

Управление их работой облегчает функция Master Control, осуществляемая микропроцессорным устройством.

По такой схеме работает известный сетевой фильтр Pilot.

Минимальную фильтрацию высокочастотной сигналов напряжения обеспечивает сетевой фильтр с тремя составными частями: варистор с напряжением 470 вольт, два дросселя на 60÷200 мкГн, конденсатор 0,22÷1,0 мкф.


Конструктивные особенности

Сетевые фильтры выпускаются различными формами, конфигурацией, характеристиками. На упаковке пишут, что их задача — подключение и защита подсоединенных потребителей.

Поскольку функции защиты кратко уже рассмотрены, то остановимся на способах подключения.

Вход питания

Любой сетевой фильтр оборудован кабелем различной длины и евровилкой с тремя контактами.

Обратите особое внимание на подключение РЕ-проводника к контуру заземления и розетке, применяемое в системе электроснабжения квартиры по схемам TN-S и TN-C-S. Его наличие повышает свойства защиты и качество фильтрации высокочастотной сигналов при рабочем режиме и отводит токи утечек из-за пробоя изоляции при авариях.

Внутри электрических схем старых здании с системой TN-C этот вопрос решается хуже, хотя высокочастотные помехи все же сглаживаются.

Подключение потребителей

Конструктивное отличие многих моделей заключается в количестве и расположении розеток. Оптимальным вариантом стало их размещение в одну или две линии с разворотом относительно продольной оси на 45 градусов.

Такая схема является компромиссом между габаритами прибора и удобствами пользования им.

Как выбрать и купить фильтр

Помочь определиться с выбором типа прибора непосредственно в магазине должна вся перечисленная выше информация.


Однако обратите внимание еще на два вопроса:

  1. суммарную мощность потребления подключённой нагрузки;
  2. наличие розеток в корпусе, которые не обеспечивают фильтрацию напряжения, а работают как простой удлинитель (встречается и такой прибор).


У приведенного на фото прибора максимально допустимая нагрузка промаркирована на тыльной стороне корпуса и ограничивается 10 амперами. Советуем для нормальной работы иметь резерв около 30 процентов минимум, то есть нагружать эту модель не более 7 ампер.

Этого вполне достаточно для сложной бытовой техники с электроникой. Ведь питать электрические котлы, теплонагреватели, лампы накаливания и электродвигатели через сетевой фильтр нет необходимости. Они нормально работают от напряжения с высокочастотными помехами.

Рекомендуем дополнительно посмотреть видеоролик владельца CompsMaster “Выбираем сетевой фильтр”.

Сейчас вам удобно задать вопросы по теме и поделиться этим материалом с друзьями в соц сетях.

Полезные товары Полезные сервисы и программы

назначение, устройство, принцип работы и преимущества

Сетевой фильтр – это один из тех приборов, что посоветуют приобрести в магазине компьютерной техники при покупке ноутбука или стационарного ПК. Что за назначение у этого устройства, какой у него принцип работы и преимущества от использования. Обзор полезного бытового прибора и чем он отличается от стандартного стабилизатора напряжения.

Зачем нужен сетевой фильтр

Говоря простым языком – это тот же самый удлинитель на 3-5-7 или другое количество розеток, но с переключателем. Его задача – обеспечивать ровное получение электроэнергии ноутбуком или персональным компьютером, другой подключенной техникой.

Как известно, в розетке напряжение тока составляет 220 Вольт. Но если вы вспомните школьные уроки физики, то его называют «переменный». Это значит, что на протяжении даже одной минуты он может колебаться в значениях от 215 до 230 Вольт. На холодильнике или лампочке это не скажется, а вот сетевая карта может запросто выйти из строя, если электропитание будет нестабильным.

Внутри находятся:

  • индуктивности;
  • конденсаторы;
  • варисторы.

Так как ток движется по синусоиде: вверх и вниз волнами, для защиты приборов от перепадов напряжения их подключают к сети через сетевой фильтр. Он сглаживает вольтаж и передает далее уже выровненный поток энергии.

На заметку!

Сетевой фильтр – это тот прибор, на покупке которого не надо экономить.

Как работает сетевой фильтр

Принцип его работы заключается в трех электротехнических понятиях: соотношение постоянной, законов коммутации и реактивном сопротивлении:

  • постоянное значение времени – это период, за который конденсатор заряжается или накапливает энергию индуктивность;
  • реактивное сопротивление – это противодействие элементов, что зависит от частоты сигналов и от их номинала.

В розетке частота питания 50 Гц, здесь она выше, у индуктивности растет сопротивление, а у конденсатора падает. Поэтому подавляются высокочастотные колебания и подключенные через устройство девайсы работают ровно, без отключений.

Внутри также находятся:

  • кнопка;
  • варистор;
  • розеточные входы;
  • шнур.

В отличие от обычного удлинителя, в нем есть кнопка, что быстро отключает от электропитания все подключенные к фильтру приборы. А от стабилизатора напряжения он отличается наличием розеток.

Сетевой фильтр применяется для подключения смартфонов, ПК, ноутбуков и другой сложной электроники к сети. Если его нет, заменить прибор нечем – это устройство, что имеет внутри специально подобранные по функциональности компоненты. С их помощью даже во время грозы подключенный девайс не получит перенапряжения и не сгорит.

Загрузка...

Сетевой фильтр или стабилизатор — что выбрать: 6 основных параметров

Несмотря на то, что техника для дома достаточно дорога, трудно представить жилье, в которой нет основных бытовых электроустройств. Производители стараются уделять особое внимание надежности электронной начинки домашней электротехники, ведь выход из строя любого прибора серьезно бьет по бюджету семьи. 

Тем не менее, узлы питания, микросхемы, чувствительные полупроводники этих приборов работают на пределе возможностей во время скачков напряжения или незапланированного отключения электросетей. А если такие неполадки в электроснабжении достаточно часты, то появляется большой риск остаться с перегоревшей техникой и, в лучшем случае, с затратным ремонтом.

Защитить свою технику можно. Именно для таких непредвиденных воздействий разработаны стабилизирующие приспособления — сетевые фильтры и стабилизаторы напряжения. Важно помнить, что, несмотря на одинаковое предназначение, принцип работы этих стабилизирующих устройств разный. И здесь нужно разобраться — что больше подойдет для защиты того или иного электроприбора. Поэтому прежде, чем подойти к выбору стабилизатора напряжения или сетевого фильтра, следует понять, как они работают, какие функции выполняют и от каких помех защищают.

Что такое перепады напряжения и как обезопасить от них свою технику

Все электрические девайсы рассчитаны на стабильные параметры сети с небольшими колебаниями — большинство из них выдерживают изменения вольтажа в диапазоне от 198 до 242 В. Если цифры выходят за рамки этих значений, электронные модули аппаратуры функционируют с максимальным усилием. Причем, для современных электроустройств одинаково опасно как снижение, так и повышение напряжения.

При низком напряжении на рабочие узлы и компоненты электрооборудования приходится повышенная нагрузка, что провоцирует снижение рабочего ресурса и поломку агрегата. А вот при продолжительном сетевом повышении вольтажа микросхемы, блоки питания начинают греться и, в конечном счете, перегорают. Ремонту такие поломки часто вообще не подлежат.

Скачки напряжений в электросетях могут происходить в любом месте, но особенно им подвержены линии в сельской местности. Причин для подобных неполадок может быть несколько:

  • Удар молнии рядом с опорами электросетей;
  • Аварийные ситуации на подстанции;
  • Износ и обрыв проводов;
  • Резкое увеличение количества потребителей.

Самое обидное, что вышедшая из строя или перегоревшая электротехника не подлежит обмену и не покрывается гарантией производителя, поэтому подключение сетевого фильтра или стабилизатора — абсолютно оправданное решение для предохранения дорогих девайсов от поломки.

Интересно прочитать: В чем разница между сетевым фильтром и удлинителем — сравниваем устройства по 4 критериям

Виды устройств предохранения от сетевых скачков

С помощью чего можно обезопасить домашнюю технику:

  • Квартирная проводка обычно защищается выключателями-автоматами. При одновременном включении нескольких мощных бытовых приспособлений или нарушенной изоляции модуль отключает поступление энергии, предотвращая поражение электротоком или возникновение пожара. Автомат срабатывает при превышении номинального значения силы тока.
  • Обезопасить компьютерную технику можно с помощью источников бесперебойного питания. ИБП позволяет компьютеру работать некоторое время после аварийного отключения тока и сохранить текущие данные.
  • Механизм сетевого фильтра рассчитан на погашение неожиданных сбоев сетевого напряжения. При любых превышениях расчетных возможностей фильтра питание отсекается и подключенные электроустройства оказываются обесточенными. Так, например, работает Legrand 6xSchuko.
  • Поддерживать постоянное напряжение в 220В помогает стабилизатор напряжения. Он выравнивает сетевые скачки, защищая домашние приборы от перегрузки.

Выключатели-автоматы и бесперебойники (за исключением линейно-интерактивных типов) не могут нивелировать перепады напряжения, поэтому для защиты домашнего электрооборудования или компьютера стоит рассматривать именно последние два варианта.

Любопытно: Украинцы сэкономили пять миллионов гривен на «черной пятнице»

Как устроен сетевой фильтр

Чтобы разобраться, для чего нужен сетевой фильтр, следует познакомиться с механизмом его действия. Это не просто удлинитель на несколько розеток. Каждая модель такого фильтра рассчитывается на конкретную нагрузку, здесь важно соблюсти совместимость предохранительного устройства и подключенной к нему аппаратуры по мощностным показателям. Поэтому превышать расчетную мощность фильтра, подсоединяя к нему несколько высокопроизводительных электроприборов, не стоит.

Основными рабочими механизмами в агрегате являются варисторы. Во время перепадов напряжения сети эти небольшие полупроводниковые модули направляют усилия на трансформацию тепловой энергии из импульсной.

Сглаживая энергетические помехи, такой сетевой агрегат, как НАМА "6 + 1", защищает электроприборы от скачков напряжения. На рынке представлены эти предохранительные девайсы в трех вариациях:

  • Essential — наиболее простой агрегат с базисным уровнем;
  • Home/Office — сетевики универсального назначения, наиболее подходящие для домашних электроустройств, например, СolorWay на 3 розетки;
  • Performance — изделия профессионального назначения для предохранения высокопроизводительных и мощных электроприборов.

Выбирая фильтр, нужно обращать внимание на основные параметры:

  1. Величину компенсирующего импульса.
  2. Количество розеток.
  3. Наличие защиты от перегрева.
  4. Индикатор выключателя.
  5. Функцию микроконтроллера.
  6. Номинальный ток.

Для сравнения можно изучить несколько распространенных, по отзывам потребителей, фильтров:

Характеристики

НАМА "6 + 1" ColorWay на 3 розетки Legrand 6xSchuko
Количество розеток 6 3 6
Наличие USB порта нет 4 нет
Максимальная мощность, Ватт 3500 2500 3500
Длина провода, м 1,4 2 1,5

Стоит ознакомиться: Выгодные условия Trade-in только для участников MOYO Club

Конструктивные особенности и принцип работы стабилизатора

При постоянно неустойчивых параметрах сети стоит присмотреться к стабилизатору напряжения. Такая модель, как APC Line-R 1500VA, гарантирует выровненные показатели вольтажа на выходе. Коррелируя сетевое напряжение, можно наиболее полно защитить компьютеры и любую бытовую технику от помех и скачков напряжения.

Стабилизаторы постоянного напряжения делятся на два типа:

  1. Линейные — поддерживают неизменный вольтаж, трансформируя внутреннее напряжение. 
  2. Импульсные — в своей конструкции имеют накопители и выдают на подключенное электроустройство запасенную энергию нужных значений.

Стабилизирующие устройства переменного напряжения могут быть накопительными и корректирующими. Первый тип работает по аналогии с импульсным — он запасает электричество. Затем генерирует его потребителю с уже требуемыми значениями. Второй тип изменяет величину напряжения, используя добавочный потенциал и делая ее пригодной для электроприборов. Накопительные агрегаты, такие, как Inform Digital 15kVA, имеют большие размеры и чаще используются на производстве. Корректирующие же, в основном, предназначены для бытовых целей.

Подбирая стабилизатор, обращайте внимание на:

  1. Производительность.
  2. Размеры.
  3. Показатель мощности.
  4. Реакция на КЗ.
  5. Значения входного и выходного напряжения.
  6. Количество фаз сети.

Несколько вариантов популярных стабилизаторов:

Характеристики

НАМА "6 + 1" ColorWay на 3 розетки Legrand 6xSchuko
Количество розеток 6 3 6
Наличие USB порта нет 4 нет
Максимальная мощность, Ватт 3500 2500 3500
Длина провода, м 1,4 2 1,5

Прочитайте: Классы энергосбережения бытовой техники: 7 видов

Что выбрать — сетевой фильтр или стабилизатор?

Выбор защитного агрегата для недешевых домашних электроустройств должен определяться целесообразностью. Принципиальное отличие между всеми предохраняющими агрегатами заключается в следующем. Сетевой фильтр, подобный APC Essential SurgeArrest, может только сгладить помехи и удалить импульсы высокого напряжения, не влияя на сам вольтаж на выходе. Если в проводке ток имеет 200 В, то фильтр никак не сможет поднять напряжение до необходимых 220. 

В это же время стабилизатор, к примеру, APC Line-R 1000VA, выравнивает значения, предотвращает скачки и выдает нужные параметры на выходе.

Таким образом, если в доме хорошая проводка, свет не мигает, не увеличивается яркость лампочек, нет частых отключений, то для компьютера или рядовой техники вполне подойдет сетевой фильтр. А вот дорогостоящую «плазму» или мощный котел лучше обезопасить применением стабилизатора. Особенно его использование актуально для сельской местности или в регионах со старыми линиями электропередач.

Обратите внимание: MOYO открыл первый круглосуточный склад-магазин техники и электроники

Выводы и рекомендации

Подобрав подходящий тип защитного механизма, перед покупкой стоит ознакомиться с его ключевыми параметрами:

  • Для стабилизаторов: тип (одно- или трехфазный), мощность, активные и реактивные нагрузки, точность стабилизации, значения пусковых токов.
  • Для сетевых фильтров: максимальная импульсная нагрузка, виды используемых предохранителей, наличие индикатора включения, качество и число гнезд.

Советы специалистов: к сетевым фильтрам не рекомендуется подключать электроустройства с повышенным пусковым током, наподобие теплового котла или высокомощной морозилки. Не стоит вестись на дешевизну и приобретать фильтр непонятного происхождения — капремонт домашней техники, пострадавшей от неполадок в проводке, выльется в крупные затраты.

 

Основы и принцип работы сетевого фильтра

Основы сетевого фильтра

Фильтр линии электропередачи, также называемый фильтром линии электропередачи EMI, представляет собой пассивную двунаправленную сеть, электрическое оборудование, которое эффективно фильтрует конкретную частотную точку в линии электропередачи или частоту за пределами конкретной частотной точки. Сетевые фильтры предназначены для защиты от электромагнитных помех (EMI) в сети и представляют собой частотно-избирательную двухпортовую сеть, обычно состоящую из катушек индуктивности, конденсаторов и резисторов.Фактически это своего рода фильтры, которые по принципу работы также могут называться отражательными фильтрами. Он обеспечивает высокий последовательный импеданс и низкий параллельный импеданс в полосе заграждения фильтра, сильно несовпадая между источником шума и его импедансом с импедансом нагрузки, тем самым передавая нежелательные частотные составляющие обратно к источнику шума.

При выборе фильтра линии питания следует учитывать три основных показателя: первый - это напряжение и ток, второй - вносимые потери и, наконец, это размер и структура.Поскольку фильтр внутри обычно герметичен, окружающая среда не является главной проблемой. Однако температурные характеристики всех заливочных материалов и конденсаторов фильтра имеют некоторое влияние на характеристики окружающей среды силового фильтра.

Структура фильтра линии электропередачи

Сетевые фильтры

обычно представляют собой пассивные фильтры, состоящие из резисторов, конденсаторов и катушек индуктивности, без активных компонентов, таких как транзисторы. Согласно характеристикам электромагнитных помех в порте питания, линейный фильтр электромагнитных помех является пассивным фильтром нижних частот, который передает переменный ток в источник питания без затухания и значительно ослабляет электромагнитные помехи, поступающие с переменным током.В то же время он эффективно подавляет электромагнитные помехи, создаваемые силовым оборудованием, чтобы предотвратить его попадание в сеть переменного тока и создание помех другим электронным устройствам.

На рисунке ниже показана типичная схема фильтра линии электропередачи, и ее структуру легко понять. Это пассивная сеть, подходящая как для переменного, так и для постоянного тока с функцией подавления двунаправленных сигналов. Он размещается между электросетью переменного тока и источником питания, что эквивалентно экранированию помех от электромагнитных помех между ними.Такой простой пассивный фильтр играет роль двустороннего шумоподавления, что широко применяется в различных электронных устройствах.

Как показано на приведенном выше рисунке, C 1 и C 2 - конденсатор дифференциального режима, обычно называемый конденсатором X, с подходящим выбором емкости от 0,01 мкФ до 2,22 мкФ; C 3 и C 4 - это синфазный конденсатор, называемый Y-конденсатором, с емкостью от нескольких нанофарад (нФ) до десятков. Емкость C 3 и C 4 не следует выбирать слишком большой; в противном случае это может привести к такой опасности, как утечка тока из фильтра или даже корпуса.L - синфазный дроссель, представляющий собой пару катушек, скрученных в одном направлении вокруг одного и того же ферритового кольца, с индуктивностью около нескольких миллигенри (мГн). Для синфазного интерференционного тока магнитные поля, создаваемые двумя катушками, имеют одинаковое направление, а синфазный дроссель имеет больший импеданс и, таким образом, ослабляет сигнал помехи. Для сигнала дифференциального режима (здесь это низкочастотный ток питания) магнитные поля, создаваемые двумя катушками, компенсируются, поэтому функция передачи мощности схемы не изменяется.Обратите внимание, что это одноступенчатая схема фильтра. Если вы хотите получить лучший эффект фильтра, можно использовать двухступенчатый фильтр.

Принцип работы сетевого фильтра

Обычно используемые схемы фильтров для сетевых фильтров имеют пассивную фильтрацию и активную фильтрацию. Основными формами пассивной фильтрации являются емкостная фильтрация, индуктивная фильтрация и комплексная фильтрация (включая инвертированный L-тип, LC-фильтрацию, LC-фильтрацию π-типа и RC-фильтрацию π-типа и т. Д.). Основная форма активной фильтрации - это активная RC-фильтрация, также известная как электронные фильтры.Величина составляющей пульсаций в электричестве постоянного тока представлена ​​коэффициентом пульсаций S: чем больше значение, тем хуже фильтрующий эффект фильтра.

Коэффициент пульсаций (S) = максимальное значение основной волны переменного тока составляющей выходного напряжения / составляющей постоянного тока выходного напряжения

Принцип действия фильтра линии электропередачи

основан на схеме адаптации импеданса: чем больше несоответствие импеданса между входом и выходом сетевого фильтра и стороной питания и нагрузки, тем более эффективно ослабление электромагнитных помех (EMI).Конкретный принцип работы заключается в следующем. После выпрямления переменного тока диодом направление одноразовое, но сила тока все еще постоянно меняется. Обычно эта пульсация постоянного тока не используется напрямую для питания. Чтобы преобразовать пульсацию постоянного тока в гладкую форму волны, нужно сделать одну вещь - фильтрацию. Другими словами, задача фильтров состоит в том, чтобы максимально уменьшить пульсации выходного напряжения выпрямителя и преобразовать их в почти постоянный постоянный ток.

ATO предлагает вам недорогие, но высококачественные линейные фильтры EMI, однофазные 1A, 3A и 6A, трехфазные 1-ступенчатые и 2-ступенчатые 10A, 20A, 30A...

Что такое фильтр? | Фильтры

Иногда желательно иметь схемы, способные выборочно фильтровать одну частоту или диапазон частот из смеси различных частот в цепи. Схема, предназначенная для выполнения этого выбора частоты, называется схемой фильтра или просто фильтром .

Общая потребность в схемах фильтров возникает в высокопроизводительных стереосистемах, где определенные диапазоны звуковых частот необходимо усиливать или подавлять для лучшего качества звука и энергоэффективности.

Возможно, вы знакомы с эквалайзерами , которые позволяют регулировать амплитуды нескольких частотных диапазонов в соответствии со вкусом слушателя и акустическими свойствами зоны прослушивания.

Вы также можете быть знакомы с сетью кроссовера , которая блокирует доступ определенных диапазонов частот к динамикам.

Твитер (высокочастотный динамик) неэффективен при воспроизведении низкочастотных сигналов, таких как удары барабана, поэтому между высокочастотным динамиком и выходными клеммами стереосистемы подключена схема кроссовера, чтобы блокировать низкочастотные сигналы, передавая только высокочастотные сигналы на клеммы подключения динамика.

Это дает лучшую эффективность аудиосистемы и, следовательно, лучшую производительность. И эквалайзеры, и кроссоверы являются примерами фильтров, предназначенных для фильтрации определенных частот.

Еще одно практическое применение схем фильтра - «обработка» несинусоидальных форм напряжения в силовых цепях.

Некоторые электронные устройства чувствительны к наличию гармоник в напряжении источника питания, поэтому для правильной работы требуется согласование мощности.

Если искаженное синусоидальное напряжение ведет себя как последовательность гармонических сигналов, добавленных к основной частоте, тогда должна быть возможность построить схему фильтра, которая пропускает только основную частоту сигнала, блокируя все (более высокочастотные) гармоники. .

В этом уроке мы изучим проектирование нескольких схем элементарных фильтров. Чтобы уменьшить математическую нагрузку на читателя, я буду широко использовать SPICE в качестве инструмента анализа, отображая графики Боде (амплитуда в зависимости от частоты) для различных типов фильтров.

Однако имейте в виду, что эти схемы могут быть проанализированы по нескольким частотным точкам с помощью повторного последовательно-параллельного анализа, как и в предыдущем примере с двумя источниками (60 и 90 Гц), если студент готов вложить много средств. расчет рабочего времени и схемы повторной обработки для каждой частоты.

ОБЗОР:

  • Фильтр - это цепь переменного тока, которая отделяет одни частоты от других в сигналах со смешанной частотой.
  • Audio Эквалайзеры и кроссоверные сети - два хорошо известных применения схем фильтров.
  • График Боде - это график, отображающий амплитуду или фазу сигнала по одной оси и частоту по другой.

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ЛИСТЫ:

Определение, схема, характеристики и применение

Была эпоха, когда при телефонном звонке на расстоянии нужно было подносить рот очень близко к передатчику, говорить очень медленно и очень громко, чтобы сообщение можно было четко услышать. человеком на другом конце.Сегодня мы даже можем совершать видеозвонки по всему миру с высококачественным разрешением. Секрет такого грандиозного развития технологий кроется в , электрическом фильтре , , теории и , теории линий передачи . Электрические фильтры - это схемы, которые пропускают только выбранную полосу частот, подавляя другие нежелательные частоты. Одним из таких фильтров является фильтр верхних частот .

Что такое фильтр высоких частот?

Определение фильтра верхних частот - это фильтр, который пропускает только те сигналы, частоты которых выше, чем частоты среза, тем самым ослабляя сигналы более низких частот.Значение частоты среза зависит от конструкции фильтра.


Схема фильтра верхних частот

Базовый фильтр верхних частот состоит из последовательного соединения конденсатора и резистора . Пока входной сигнал подается на конденсатор, выходной сигнал проходит через резистор.

Схема фильтра верхних частот

В этой схеме конденсатор имеет высокое реактивное сопротивление на более низких частотах, поэтому он действует как разомкнутая цепь для низкочастотных входных сигналов до тех пор, пока не будет достигнута частота среза «fc».Фильтр ослабляет все сигналы ниже уровня частоты среза. На частотах выше уровня частоты среза реактивное сопротивление конденсатора становится низким, и он действует как короткое замыкание на эти частоты, позволяя им проходить непосредственно на выход.

Пассивный RC-фильтр верхних частот

Показанный выше фильтр верхних частот также известен как пассивный RC-фильтр верхних частот , поскольку схема построена с использованием только пассивных элементов . Для работы фильтра нет необходимости подключать внешнее питание.Здесь конденсатор является реактивным элементом, а выходной сигнал проходит через резистор.

Характеристики фильтра верхних частот

Когда мы говорим о частоте среза , мы имеем в виду точку на частотной характеристике фильтра , где усиление равно 50% от пикового усиления сигнала. 3 дБ от пикового усиления. В фильтре высоких частот усиление увеличивается с увеличением частот.

Кривая частоты фильтра верхних частот

Эта частота среза fc зависит от значений R и C схемы.Здесь постоянная времени τ = RC, частота среза обратно пропорциональна постоянной времени.

Частота среза = 1 / 2πRC

Коэффициент усиления схемы определяется как AV = Vout / Vin

. AV = (Vout) / (V in) = R / √ (R 2 + Xc 2 ) = R / Z

При низкой частоте f: Xc → ∞, Vout = 0

At высокочастотный f: Xc → 0, Vout = Vin

Частотная характеристика фильтра верхних частот или диаграмма Боде фильтра верхних частот

В фильтре верхних частот все частоты, лежащие ниже частоты среза fc, ослабляются.В этой точке частоты среза мы получаем усиление -3 дБ, и в этот момент значения реактивного сопротивления конденсатора и резистора будут одинаковыми. R = Xc. Усиление рассчитывается как

Усиление (дБ) = 20 log (Vout / Vin)

Наклон кривой фильтра высоких частот составляет +20 дБ / декаду. после прохождения уровня частоты среза выходной отклик схемы увеличивается от 0 до Vin со скоростью +20 дБ на декаду, что составляет увеличение на 6 дБ на октаву.

Частотная характеристика фильтра верхних частот

Область от начальной точки до точки отсечки частоты называется полосой остановки, поскольку пропускать частоты не разрешается.Область сверху от точки частоты среза. то есть точка -3 дБ известна как полоса пропускания . На частоте среза амплитуда точечного выходного напряжения будет составлять 70,7% входного напряжения.

Здесь ширина полосы фильтра обозначает значение частоты, с которой разрешено проходить сигналам. Например, если полоса пропускания фильтра верхних частот задана равной 50 кГц, это означает, что разрешены только частоты от 50 кГц до бесконечности.

Фазовый угол выходного сигнала +450 на частоте среза.Формула для расчета фазового сдвига фильтра верхних частот:

= arctan ⁡ (1 / 2πfRC)

Кривая фазового сдвига

В практическом применении выходной отклик фильтра не простирается до бесконечности. Электрические характеристики фильтрующих элементов накладывают ограничение на отклик фильтра. Путем правильного выбора компонентов фильтра мы можем отрегулировать диапазон частот, которые необходимо ослабить, диапазон, который необходимо пропустить и т. Д.

Фильтр высоких частот с использованием операционного усилителя

В этом фильтре высоких частот вместе с пассивными фильтрующими элементами мы добавляем ОУ на схему.Вместо получения бесконечного выходного отклика, здесь выходной отклик ограничен характеристиками разомкнутого контура операционного усилителя . Следовательно, этот фильтр действует как полосовой фильтр с частотой среза, которая определяется характеристиками полосы пропускания и усиления операционного усилителя.

Фильтр высоких частот с использованием операционного усилителя

Коэффициент усиления операционного усилителя по напряжению без обратной связи действует как ограничение полосы пропускания усилителя. Коэффициент усиления усилителя уменьшается до 0 дБ с увеличением входной частоты.2)

, где Af - коэффициент усиления полосы пропускания фильтра = 1+ (R2) / R1

f - частота входного сигнала в Гц

fc - частота среза

Когда резисторы с малым допуском и Конденсаторы используются, эти активные фильтры высоких частот обеспечивают хорошую точность и производительность.

Активный фильтр верхних частот

Фильтр верхних частот, использующий ОУ также известен как активный фильтр верхних частот , потому что наряду с пассивными элементами, конденсатором и резистором, в схеме используется операционный усилитель с активным элементом.Используя этот активный элемент, мы можем управлять частотой среза и диапазоном выходного отклика фильтра.

Фильтр верхних частот второго порядка

Все схемы фильтров, которые мы видели до сих пор, считаются фильтрами верхних частот первого порядка. В фильтре верхних частот второго порядка дополнительный блок RC-цепи добавляется к фильтру верхних частот первого порядка на входном тракте.

Фильтр верхних частот второго порядка

Частотная характеристика фильтра верхних частот второго порядка аналогична фильтру верхних частот первого порядка.Но во втором порядке полоса заграждения фильтра верхних частот будет вдвое больше, чем у фильтра первого порядка при 40 дБ / декада. Фильтры более высокого порядка могут быть сформированы путем каскадирования фильтров первого и второго порядка. Хотя нет ограничений на порядок, размер фильтров увеличивается вместе с их порядком, и точность ухудшается. Если в фильтре более высокого порядка R1 = R2 = R3 и т. Д.… И C1 = C2 = C3 = и т. Д., То частота среза будет одинаковой независимо от порядка фильтра.

Фильтр верхних частот второго порядка

Частота среза активного фильтра верхних частот второго порядка может быть задана как

fc = 1 / (2π√ (R3 R4 C1 C2))

Передаточная функция фильтра верхних частот

Как Импеданс конденсатора часто меняется, электронные фильтры имеют частотно-зависимую характеристику.(n-1) + ⋯ + b0)

Порядок фильтра известен по степени знаменателя. Полюса и нули схемы извлекаются путем решения корней уравнения. Функция может иметь действительные или комплексные корни. То, как эти корни нанесены на плоскость s, где σ обозначается горизонтальной осью, а ω обозначается вертикальной осью, раскрывает много информации о схеме. Для фильтра высоких частот ноль находится в начале координат.

H (jω) = Vout / Vin = (-Z2 (jω)) / (Z1 (jω))

= - R2 / (R1 + 1 / jωC)

= -R2 / R1 ( 1 / (1+ 1 / (jωR1 C))

Здесь H (∞) = R2 / R1, усиление при ω → ∞

τ = R1 C и ωc = 1 / (τ).2) = 0 при ω = 0; H (∞) / √2, когда ω = ω_c;

и H (∞), когда ω = ∞. Здесь отрицательный знак указывает на фазовый сдвиг.

Когда R1 = R2, s = jω и H (0) = 1

Итак, передаточная функция фильтра верхних частот H (jω) = jω / (jω + ω_c)

Фильтр верхних частот Масляного эквивалента

Помимо подавления нежелательных частот, идеальный фильтр должен также иметь одинаковую чувствительность для требуемых частот. Такой идеальный фильтр непрактичен. Но Стивен Баттер Уорт в своей статье «К теории фильтров-усилителей» показал, что этот тип фильтра может быть получен путем увеличения количества фильтрующих элементов правильной величины.

Фильтр Баттер-Ворта спроектирован таким образом, что он дает плоскую частотную характеристику в полосе пропускания фильтра и уменьшается до нуля в полосе заграждения. Базовым прототипом фильтра Баттера Уорта является конструкция фильтра нижних частот, но путем внесения изменений могут быть разработаны фильтры верхних частот и полосовые фильтры. n , который после решения равен

«n» контролирует порядок перехода между полосой пропускания и полосой заграждения.2) для заказа 2

Следовательно, передаточная функция каскада в фильтре высоких частот равна

График Боде фильтра высоких частот

Применения фильтра высоких частот

Применения фильтра высоких частот в основном включают следующее.

  • Эти фильтры используются в динамиках для усиления.
  • Фильтр высоких частот используется для удаления нежелательных звуков вблизи нижнего предела слышимого диапазона.
  • Чтобы предотвратить усиление постоянного тока , которое может повредить усилитель, для связи по переменному току используются фильтры верхних частот.
  • Фильтр высоких частот в обработке изображений : Фильтры высоких частот используются при обработке изображений для повышения резкости деталей. Применяя эти фильтры к изображению, мы можем преувеличить каждую мельчайшую деталь изображения. Но чрезмерное усердие может повредить изображение, поскольку эти фильтры усиливают шум в изображении.

Для достижения стабильных и идеальных результатов в конструкцию этих фильтров еще предстоит внести множество изменений. Эти простые устройства играют важную роль в различных системах управления , автоматических системах обработки изображений и звука.С каким применением фильтра высоких частот вам приходилось сталкиваться?

Ферритовые бусины раскрывают тайну | Analog Devices

Введение

Эффективным методом фильтрации высокочастотного шума источника питания и чистого разделения одинаковых шин питания (то есть аналоговых и цифровых шин для ИС со смешанными сигналами) при сохранении высокочастотной изоляции между общими шинами является использование ферритовых шариков. Ферритовый шарик - это пассивное устройство, которое фильтрует энергию высокочастотного шума в широком диапазоне частот.Он становится резистивным во всем предполагаемом диапазоне частот и рассеивает энергию шума в виде тепла. Ферритовый валик соединен последовательно с шиной источника питания и часто объединяется с конденсаторами для заземления с обеих сторон валика. Это формирует сеть фильтра нижних частот, дополнительно уменьшая высокочастотный шум источника питания.

Однако неправильное использование ферритовых бусинок в конструкции системы может привести к некоторым вредным проблемам. Некоторыми примерами являются нежелательный резонанс из-за комбинирования борта с разделительным конденсатором для фильтрации нижних частот и эффект зависимости постоянного тока смещения, который ухудшает способность бусинки подавлять электромагнитные помехи.При правильном понимании и рассмотрении поведения ферритового шарика этих проблем можно избежать.

В этой статье обсуждаются важные соображения, которые необходимо учитывать разработчикам систем при использовании ферритовых шариков в системах электропитания, такие как зависимости импеданса от частотных характеристик с изменяющимся постоянным током смещения и нежелательных эффектов LC-резонанса. В конечном итоге, чтобы решить проблему нежелательного резонанса, будут представлены методы демпфирования и будет представлено сравнение эффективности каждого метода демпфирования.

Устройство, используемое для демонстрации эффекта ферритовых шариков в качестве выходного фильтра, представляет собой импульсный стабилизатор постоянного тока 2 A / 1,2 A с независимыми положительным и отрицательным выходами (ADP5071). Ферритовые бусины, используемые в данной статье, в основном представляют собой корпусы для поверхностного монтажа чипового типа.

Упрощенная модель и моделирование ферритового шарика

Ферритовый валик можно смоделировать как упрощенную схему, состоящую из резисторов, катушки индуктивности и конденсатора, как показано на рисунке 1a. R DC соответствует сопротивлению шарика постоянному току.C PAR , L BEAD и R AC - это (соответственно) паразитная емкость, индуктивность валика и сопротивление переменному току (потери в сердечнике переменного тока), связанные с валиком.

Рис. 1. (a) Упрощенная модель схемы и (b) график ZRX, измеренный Tyco Electronics BMB2A1000LN2. Ферритовые шарики

подразделяются на три области отклика: индуктивные, резистивные и емкостные. Эти области можно определить, посмотрев на график ZRX (показанный на рисунке 1b), где Z - импеданс, R - сопротивление, а X - реактивное сопротивление шарика.Для уменьшения высокочастотного шума валик должен находиться в резистивной области; это особенно желательно для приложений фильтрации электромагнитных помех (EMI). Компонент действует как резистор, который препятствует высокочастотному шуму и рассеивает его в виде тепла. Резистивная область возникает после частоты кроссовера шарика (X = R) и до точки, где шарик становится емкостным. Эта емкостная точка возникает на частоте, где абсолютное значение емкостного реактивного сопротивления (–X) эквивалентно R.

В некоторых случаях упрощенная модель схемы может использоваться для аппроксимации характеристики импеданса ферритового шарика до субгигагерцового диапазона.

В качестве примера используется многослойная ферритовая бусина Tyco Electronics BMB2A1000LN2. На рисунке 1b показан измеренный ZRX-отклик BMB2A1000LN2 при нулевом постоянном токе смещения с использованием анализатора импеданса.

Для области на измеренном графике ZRX, где валик выглядит наиболее индуктивным (Z ≈ X L ; LBEAD), индуктивность валика рассчитывается по следующему уравнению:

где:

f - это частотная точка в любом месте области, где бусина кажется индуктивной.В этом примере f = 30,7 МГц. X L - реактивное сопротивление на 30,7 МГц, что составляет 233 Ом.

Уравнение 1 дает значение индуктивности (L BEAD ), равное 1,208 мкГн.

Для области, где бусинка кажется наиболее емкостной (Z ≈ | X C |; C PAR ), паразитная емкость рассчитывается по следующему уравнению:

где:

f - это частотная точка в любом месте области, где шарик кажется емкостным.В этом примере f = 803 МГц | X C | - реактивное сопротивление на частоте 803 МГц, равное 118,1 Ом.

Уравнение 2 дает значение паразитной емкости (C PAR ) 1,678 пФ.

Сопротивление постоянному току (R DC ), равное 300 мОм, берется из технических данных производителя. Сопротивление переменному току (R AC ) - это пиковое сопротивление, при котором валик выглядит чисто резистивным. Вычислите R AC , вычтя R DC из Z.Поскольку R DC очень мал по сравнению с пиковым импедансом, им можно пренебречь. Следовательно, в этом случае R AC составляет 1,082 кОм. Инструмент моделирования цепей ADIsimPE с питанием от SIMetrix / SIMPLIS использовался для расчета зависимости импеданса от частотной характеристики. На рисунке 2a показана имитационная модель схемы с рассчитанными значениями, а на рисунке 2b показаны как фактические измерения, так и результаты моделирования. В этом примере кривая импеданса модели имитации схемы полностью совпадает с измеренной.

Рисунок 2. (a) Имитационная модель схемы и (b) Фактическое измерение в сравнении с симуляцией.

Модель ферритового шарика может быть полезна при проектировании и анализе схем фильтрации шума. Например, аппроксимация индуктивности шарика может быть полезна при определении отсечки резонансной частоты в сочетании с разделительным конденсатором в сети фильтра нижних частот. Однако модель схемы, указанная в этой статье, является приближением с нулевым постоянным током смещения. Эта модель может изменяться в зависимости от постоянного тока смещения, а в других случаях требуется более сложная модель.

Рекомендации по току смещения постоянного тока

Выбор правильного ферритового шарика для силовых приложений требует тщательного рассмотрения не только полосы пропускания фильтра, но и характеристик импеданса шарика по отношению к постоянному току смещения. В большинстве случаев производители указывают только импеданс борта при 100 МГц и публикуют таблицы данных с кривыми частотной характеристики при нулевом постоянном токе смещения. Однако при использовании ферритовых шариков для фильтрации источника питания ток нагрузки, проходящий через ферритовый шарик, никогда не равен нулю, и по мере увеличения постоянного тока смещения от нуля все эти параметры значительно изменяются.

По мере увеличения постоянного тока смещения материал сердечника начинает насыщаться, что значительно снижает индуктивность ферритового валика. Степень насыщения индуктивности зависит от материала сердечника компонента. На рис. 3а показана типичная зависимость индуктивности от смещения постоянного тока для двух ферритовых бусинок. При 50% номинального тока индуктивность уменьшается до 90%.

Рис. 3. (a) Влияние постоянного тока смещения на индуктивность шарика и кривые импеданса по отношению к постоянному току смещения для: (b) шарика TDK MPZ1608S101A и (c) шарика Würth Elektronik 742 792 510.

Для эффективной фильтрации шума источника питания в соответствии с рекомендациями по проектированию следует использовать ферритовые шарики с номинальным постоянным током примерно на 20%. Как показано в этих двух примерах, индуктивность при 20% номинального тока падает примерно до 30% для бусинки на 6 А и примерно до 15% для бусины на 3 А. Текущий рейтинг ферритовых шариков является показателем максимального тока, который устройство может выдержать при заданном повышении температуры, и не является реальной рабочей точкой для целей фильтрации.

Кроме того, влияние постоянного тока смещения может наблюдаться в снижении значений импеданса по частоте, что, в свою очередь, снижает эффективность ферритового шарика и его способность устранять электромагнитные помехи.На рисунках 3b и 3c показано, как импеданс ферритового шарика изменяется в зависимости от постоянного тока смещения. При подаче всего 50% номинального тока эффективное сопротивление на частоте 100 МГц резко падает со 100 Ом до 10 Ом для TDK MPZ1608S101A (100 Ом, 3 А, 0603) и с 70 Ом до 15 Ом для Würth Elektronik 742 792. 510 (70 Ом, 6 А, 1812 г.).

Разработчики систем должны полностью осознавать влияние постоянного тока смещения на индуктивность и эффективное сопротивление шарика, так как это может иметь решающее значение в приложениях, требующих высокого тока питания.

LC Резонансный эффект

Резонансный пик возможен при использовании ферритовой бусины вместе с разделительным конденсатором. Этот часто игнорируемый эффект может быть вредным, поскольку он может усиливать пульсации и шум в данной системе, а не ослаблять их. Во многих случаях этот пик возникает около популярных частот переключения преобразователей постоянного тока в постоянный.

Пик возникает, когда резонансная частота цепи фильтра нижних частот, образованная индуктивностью ферритового шарика и развязывающей емкостью с высокой добротностью, ниже частоты кроссовера шарика.Полученный фильтр недостаточно демпфирован. На рисунке 4a показан график зависимости импеданса от частоты TDK MPZ1608S101A. Резистивная составляющая, от которой зависит рассеивание нежелательной энергии, не становится значимой до тех пор, пока не достигнет диапазона примерно от 20 МГц до 30 МГц. Ниже этой частоты ферритовый шарик по-прежнему имеет очень высокую добротность и действует как идеальный индуктор. Резонансные частоты LC для типичных шариковых фильтров обычно находятся в диапазоне от 0,1 МГц до 10 МГц. Для типичных частот переключения в диапазоне от 300 кГц до 5 МГц требуется дополнительное демпфирование для уменьшения Q фильтра.

Рис. 4. (a) График TDK MPZ1608S101A ZRX и (b) отклик S21 для ферритового шарика и конденсаторного фильтра нижних частот.

В качестве примера этого эффекта на рисунке 4b показана частотная характеристика S21 шарикового и конденсаторного фильтра нижних частот, которая демонстрирует эффект усиления. Используемый ферритовый шарик - TDK MPZ1608S101A (100 Ом, 3 А, 0603), а в качестве развязывающего конденсатора используется керамический конденсатор Murata GRM188R71h203KA01 с низким ESR (10 нФ, X7R, 0603). Ток нагрузки находится в диапазоне микроампер.

Незатухающий фильтр с ферритовыми шариками может демонстрировать пики от приблизительно 10 дБ до приблизительно 15 дБ в зависимости от добротности схемы фильтра.На рисунке 4b пик наблюдается на частоте около 2,5 МГц с усилением до 10 дБ.

Кроме того, можно увидеть усиление сигнала от 1 МГц до 3,5 МГц. Этот пик проблематичен, если он возникает в полосе частот, в которой работает импульсный стабилизатор. Это усиливает нежелательные артефакты переключения, которые могут нанести ущерб производительности чувствительных нагрузок, таких как контур фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), генераторы, управляемые напряжением (ГУН), и аналого-цифровые преобразователи высокого разрешения (АЦП). Результат, показанный на рисунке 4b, был получен при очень небольшой нагрузке (в диапазоне микроампер), но это реалистичное применение в секциях цепей, которым требуется ток нагрузки всего от нескольких микроампер до 1 мА, или в секциях, которые отключены до экономят электроэнергию в некоторых режимах работы.Этот потенциальный пик создает дополнительный шум в системе, который может создавать нежелательные перекрестные помехи.

В качестве примера на рисунке 5 показана прикладная схема ADP5071 с реализованным фильтром шариков, а на рисунке 6 показан спектральный график на положительном выходе. Частота коммутации составляет 2,4 МГц, входное напряжение - 9 В, выходное напряжение - 16 В, а ток нагрузки - 5 мА.

Рис. 5. Схема приложения ADP5071 с реализацией фильтра нижних частот из шариков и конденсаторов на положительном выходе.Рис. 6. Спектральный выход ADP5071 при нагрузке 5 мА.

Резонансный пик возникает на частоте около 2,5 МГц из-за индуктивности шарика и керамического конденсатора 10 нФ. Вместо ослабления основной частоты пульсаций на 2,4 МГц происходит усиление 10 дБ.

Другими факторами, влияющими на резонансные пики, являются последовательное сопротивление и полное сопротивление нагрузки ферритового фильтра. Пики значительно уменьшаются и демпфируются для повышения сопротивления источника. Однако при таком подходе регулирование нагрузки ухудшается, что делает его нереалистичным на практике.Выходное напряжение падает с током нагрузки из-за падения последовательного сопротивления. Сопротивление нагрузки также влияет на пиковый отклик. Пиковая нагрузка хуже при малой нагрузке.

Методы демпфирования

В этом разделе описаны три метода демпфирования, которые системный инженер может использовать для значительного снижения уровня резонансного пика (см. Рисунок 7).

Рисунок 7. Фактическая частотная характеристика для различных методов демпфирования.

Метод A заключается в добавлении последовательного резистора к цепи разделительного конденсатора, который гасит резонанс системы, но снижает эффективность байпаса на высоких частотах.Метод B заключается в добавлении небольшого параллельного резистора поперек ферритовой бусины, который также гасит резонанс системы. Однако характеристика затухания фильтра снижается на высоких частотах. На рисунке 8 показана кривая зависимости полного сопротивления от частоты MPZ1608S101A с параллельным резистором 10 Ом и без него. Светло-зеленая пунктирная кривая - это полное сопротивление шарика с параллельно включенным резистором 10 Ом. Импеданс бусинки и резистора значительно снижен, и в нем преобладает резистор 10 Ом.Однако частота кроссовера 3,8 МГц для бусины с параллельным резистором 10 Ом намного ниже, чем частота кроссовера отдельного бусинки на 40,3 МГц. Бусина кажется резистивной в гораздо более низком частотном диапазоне, снижая добротность для улучшения демпфированных характеристик.

Рисунок 8. (a) график MPZ1608S101A ZRX и (b) график MPZ1608S101A ZRX, увеличенный вид.

Метод C состоит из добавления большого конденсатора (C DAMP ) с последовательным демпфирующим резистором (R DAMP ), что часто является оптимальным решением.

Добавление конденсатора и резистора снижает резонанс системы и не снижает эффективность байпаса на высоких частотах. Реализация этого метода позволяет избежать чрезмерного рассеивания мощности на резисторе из-за большого блокирующего конденсатора постоянного тока. Конденсатор должен быть намного больше, чем сумма всех разделительных конденсаторов, что снижает требуемое значение демпфирующего резистора. Импеданс конденсатора должен быть значительно меньше демпфирующего сопротивления на резонансной частоте, чтобы уменьшить пик.

На рисунке 9 показан график положительного выходного сигнала ADP5071 с демпфированием по методу C, реализованным в прикладной схеме, показанной на рисунке 5. Используемые C DAMP и R DAMP представляют собой керамический конденсатор 1 мкФ и резистор SMD 2 Ом соответственно. Основная пульсация на частоте 2,4 МГц снижается на 5 дБ по сравнению с усилением 10 дБ, показанным на рисунке 9.

Рис. 9. Спектральный выход ADP5071 плюс бусинный и конденсаторный фильтр нижних частот с демпфированием по методу C.

Как правило, метод C является наиболее элегантным и реализуется путем добавления резистора последовательно с керамическим конденсатором вместо покупки дорогостоящего специального демпфирующего конденсатора.Самые безопасные конструкции всегда включают резистор, который можно настроить во время прототипирования и который можно исключить, если в этом нет необходимости. Единственные недостатки - это дополнительная стоимость компонентов и большее требуемое место на плате.

Заключение

В этой статье приведены основные соображения, которые необходимо учитывать при использовании ферритовых бусинок. В нем также подробно описывается простая схемная модель, представляющая бусину. Результаты моделирования показывают хорошую корреляцию между фактическим измеренным импедансом и частотной характеристикой при нулевом постоянном токе смещения.

В этой статье также обсуждается влияние постоянного тока смещения на характеристики ферритового шарика. Он показывает, что постоянный ток смещения, превышающий 20% номинального тока, может вызвать значительное падение индуктивности шарика. Такой ток может также снизить эффективное сопротивление шарика и ухудшить его способность фильтрации электромагнитных помех. При использовании ферритовых шариков в шине питания с постоянным током смещения убедитесь, что ток не вызывает насыщения ферритового материала и не вызывает значительного изменения индуктивности.

Поскольку ферритовый шарик является индуктивным, не используйте его с развязывающими конденсаторами с высокой добротностью без особого внимания. Это может принести больше вреда, чем пользы, поскольку вызывает нежелательный резонанс в цепи. Однако методы демпфирования, предложенные в этой статье, предлагают простое решение за счет использования большого разделительного конденсатора последовательно с демпфирующим резистором через нагрузку, что позволяет избежать нежелательного резонанса. Правильное применение ферритовых бусинок может быть эффективным и недорогим способом снизить высокочастотный шум и переходные процессы при переключениях.

Рекомендации

AN-583 Замечания по применению, Проектирование силовых изолирующих фильтров с ферритовыми шариками для ПЛИС Altera. Корпорация Альтера.

Руководство по применению шумоподавления и развязки источников питания для цифровых ИС. Murata Manufacturing Co., Ltd.

Беркет, Крис. «Не все ферритовые шарики созданы одинаковыми - понимание важности поведения материала ферритовых шариков». Корпорация TDK.

Эко, Джефферсон и Олдрик Лимжоко. Рекомендации по применению AN-1368: раскрытие мифов о ферритовых шариках. Analog Devices, Inc.

Фанчер, Дэвид Б. "Ферритовые шарики ILB, ILBB: электромагнитные помехи и электромагнитная совместимость (EMI / EMC)". Вишай Дейл.

Хилл, Ли и Рик Мидорс. «Стюард EMI Подавление». Стюард.

Кундерт, Кен. «Снижение шума источника питания». Руководство дизайнера Consulting, Inc.

Плотина, Стив. «ПДН Применение ферритовых шариков.ООО «ИПБЛОКС».

Благодарности

Авторы выражают признательность Джеффу Уиверу, Доналу О'Салливану, Луке Вассалли и Пату Михану (Университет Лимерика, Ирландия) за их техническую экспертизу и вклад.

Анализ основного фильтра для управляемого сжатия сети

Ксавье Суау
Apple Inc.
[email protected]
и Лука Запелла
Apple Inc.
[email protected]
\ ANDVinay Palakkode
Apple Inc.
[email protected]
и Николай Апостолов
Apple Inc.
[email protected]
Равный вкладчик

Абстрактные
Анализ основных фильтров

(PFA) - это элегантная, простая в реализации, но эффективная методология сжатия нейронных сетей. PFA использует внутреннюю корреляцию между ответами фильтров на сетевых уровнях, чтобы рекомендовать меньший размер сети.Мы предлагаем два алгоритма сжатия: первый позволяет пользователю указать долю исходной спектральной энергии, которая должна сохраняться в каждом слое после сжатия, а второй - это подход без параметров, который автоматически выбирает сжатие, используемое на каждом уровне. Оба алгоритма оцениваются для нескольких архитектур и наборов данных, и мы демонстрируем значительную степень сжатия без ущерба для точности, например, для VGG-16 на CIFAR-10 и CIFAR-100 PFA обеспечивает степень сжатия 8x и 3x с приростом точности 0.4% балла и 1,4% балла соответственно. В наших тестах мы также демонстрируем, что сети, сжатые с помощью PFA, достигают точности, очень близкой к эмпирической верхней границе для данной степени сжатия.

1 Введение

Несмотря на десятилетия исследований, создание нейронных сетей все еще остается эмпирическим процессом. Специалисты делают выбор дизайна, например количество слоев, тип слоев, количество фильтров на слой и т. Д., На основе интуиции или поиска методом перебора. Тем не менее, производительность этих алгоритмов вместе с достижениями устройств на базе графических процессоров привели к росту популярности этих методов как в академических кругах, так и в промышленности.В практических приложениях размер этих сетей часто является ограничивающим фактором при развертывании на устройствах с ограниченными ресурсами хранения, памяти и вычислений.

Известно, что в ответах слоя в глубокой нейронной сети существует значительная корреляция (Denil et al., 2013) , вдохновляющая на идею изучения декоррелированных фильтров (Cogswell et al., 2016; Rodríguez et al. ., 2017) . Эти алгоритмы предлагают модифицированную функцию потерь, чтобы стимулировать декорреляцию во время обучения и показать, что точность улучшается с помощью декоррелированных фильтров.Однако в своей работе они не рассматривают сетевое сжатие. Наша гипотеза состоит в том, что слои, которые демонстрируют высокую корреляцию в ответах фильтров, могут одинаково хорошо обучаться, используя меньшее количество фильтров.

Анализ основных фильтров

(PFA) использует внутриуровневую корреляцию для управления сжатием сети. PFA анализирует обученную сеть и не зависит от методологии обучения и функции потерь. Логический вывод выполняется для набора данных, и корреляция в ответах каждого уровня используется для предоставления рецепта сжатия.Затем можно переобучить новую меньшую архитектуру, основанную на этом рецепте.

Мы предлагаем два закрытых алгоритма на основе анализа спектральной энергии для предложения количества фильтров, которые необходимо удалить в слое:

PFA-En

использует анализ главных компонентов (PCA) (Hotelling, 1933) , чтобы позволить пользователю указать долю энергии в исходном отклике, которая должна сохраняться на каждом уровне;

PFA-KL

- это подход без параметров, который использует расхождение Кульбака-Лейблера (KL) (Kullback & Leibler, 1951) для определения количества избыточных фильтров.

Основываясь на новом количестве фильтров на слой, выбранном PFA, мы удаляем те, которые максимально коррелируют с другими фильтрами, и настраиваем сеть путем повторного обучения. Как показано в разд. 4, оба алгоритма PFA обеспечивают лучшее сжатие и, в большинстве случаев, лучшую точность, чем современные, для нескольких наборов данных и архитектур.

2 Связанные работы

Область сетевой компрессии охватывает широкий спектр методов, и соответствующие работы можно сгруппировать в четыре основные категории: квантование, извлечение знаний, тензорная факторизация и отсечение сети.Подробный обзор сетевого сжатия см. В (Cheng et al., 2017) .

Алгоритмы квантования сжимают сети за счет уменьшения количества битов, используемых для представления каждого веса (Wu et al., 2016; Han & Dally, 2016; Rastegari et al., 2016) . Квантование может применяться путем изучения двоичных весов во время обучения или в качестве пост-процесса. Однако эти алгоритмы часто игнорируют влияние бинаризации на потерю точности, что приводит к ухудшению точности.

Преобразование знаний (Hinton et al., 2014) и сжатие модели (Buciluǎ et al., 2006) нацелены на создание более простой модели, которая имитирует результат более сложной. Варианты этой концепции включают (Ba & Caurana, 2014; Romero et al., 2015; Chen et al., 2016) . Однако создание более простой модели (то есть более мелких сетей) все еще является эмпирическим процессом.

Алгоритмы тензорной факторизации используют избыточность, присутствующую в сверточных слоях, путем замены исходных тензоров последовательностью более мелких или разреженных аналогов (Denton et al., 2014; Лебедев и др., 2014; Ядерберг и др., 2014; Cheng et al., 2016; Масана и др., 2017; Ю. и др., 2017) . Эти методы разделяют с PFA интуитивное понимание использования избыточности в тензоре. В то время как PFA использует концепцию корреляции в ответах, эти методы направлены на поиск нового набора фильтров, который минимизирует ошибку восстановления карт признаков или выходных данных ответа. Еще одно отличие от PFA заключается в том, что эти методы, за исключением (Cheng et al., 2016) и (Aghasi et al., 2017) , работают локально на одном слое за раз. Напротив, PFA может сжимать все слои одновременно.

Отсечение сети - это семейство методов, которые сжимают сети путем итеративного удаления соединений в зависимости от значимости их весов. Ранние работы, такие как Optimal Brain Damage (LeCun et al., 1990) и Optimal Brain Surgeon (Hassibi et al., 1993) , были нацелены на полностью связанные сети путем изучения гессиана функции потерь.Последние работы можно разделить на два подсемейства: разреженная обрезка, при которой удаляются отдельные нейроны, и структурированная обрезка, при которой удаляются целые фильтры.

В рамках разреженного отсечения некоторые работы удаляют соединения, которые играют незначительную роль, и повторно обучают сеть (Han et al., 2016) . Srinivas & Babu (2015) предлагают обрезку параметров без данных для сетей с полностью подключенными уровнями, где избыточные нейроны итеративно удаляются. Аналогичная тенденция заключается в обучении компактных сетей с помощью регуляризаторов, вызывающих разреженность (Wen et al., 2016) . Алгоритм Net-Trim обрезает сеть на уровне слоев, удаляя соединения с помощью выпуклой оптимизации (Aghasi et al., 2017) . Net-Trim ищет разреженный набор весов на каждом уровне, который поддерживает входные и выходные данные слоя в соответствии с исходной моделью. Хотя подходы с разреженным сокращением эффективны, они требуют редких библиотек свертки или даже специального оборудования для эффективного вывода.

Структурированная обрезка - это более интуитивно понятный метод сжатия, работающий на стандартных архитектурах и оборудовании.Некоторые подходы явно ориентированы на отсечение фильтров, например (Li et al., 2017) , где удаляются фильтры с нормой 1 меньше заданного порога. Однако пороговое значение остается эвристическим, и для разных уровней требуются разные пороговые значения. He et al. (2017) предлагают выбрать подмножество фильтров в данном слое. Выбор фильтра определяется путем сведения к минимуму ошибки восстановления активаций. В (Liu et al., 2017) разреженность сначала индуцируется во время новой фазы обучения и используется для идентификации фильтров с весами, близкими к нулю.Они предлагают итеративную стратегию с повторным обучением и обрезкой для достижения приемлемой точности. Основным недостатком этого подхода является то, что он требует дополнительной фазы тренировки, чтобы вызвать разреженность. Влияние на окончательный размер и точность трудно предсказать заранее. В недавней работе (Молчанов и др., 2017) фильтры, которые вносят наименьший вклад в изменение потерь, отсекаются путем аппроксимации влияния фильтра на потери с использованием разложения Тейлора и включения приближения в комбинаторную оптимизацию.

В семействе структурированной обрезки существуют подходы, основанные на разложении по сингулярным значениям (SVD) весов фильтра (Xue et al., 2013; Nakkiran et al., 2015; Prabhavalkar et al., 2016) . Эти методы вычисляют SVD весов и заменяют фильтры новым набором, полученным путем проецирования на подпространство более низкой размерности. Различия между этими методами заключаются в способе оценки ранга и выполнении прогноза.

3 Анализ основного фильтра

PFA относится к семейству структурированных сетевых сокращений.Для некоторых из этих методов требуются параметры, определяемые пользователем, которые трудно выбрать и чье влияние на посадочное место трудно предсказать (см. Раздел 4.3.4 для более подробной информации). Другие также требуют модификации функции потерь. Напротив, PFA-En имеет только один интуитивно понятный параметр, который представляет собой энергию отклика, которая должна сохраняться на каждом уровне, а PFA-KL не содержит параметров. Кроме того, вместо того, чтобы изучать значимость фильтров во время обучения, изменяя функцию потерь, PFA оценивает ее после обучения, не требуя знания деталей обучения.Это делает PFA применимым к любой обученной сети без необходимости знать ее функцию потерь.

Хотя методы, использующие SVD для весов, имеют некоторое концептуальное сходство с PFA-En, между ними есть важные различия. Одно отличие особенно актуально для приложений передачи обучения, где обученная сеть специализируется на выполнении другой задачи. Методы, которые принимают решения о сжатии на основе весов, а не ответов, не принимают во внимание специфику задачи.Различные задачи все приведут к одной и той же сжатой архитектуре для данной модели. С помощью PFA различные архитектуры могут быть получены из одной и той же исходной модели при анализе для различных задач.

Наконец, PFA ортогонален методам квантования, тензорной факторизации и дистилляции и может использоваться в качестве дополнительной стратегии для дальнейшего сжатия нейронных сетей.

В этом разделе подробно описаны два алгоритма PFA. Оба алгоритма разделяют идею использования корреляций между фильтрами в сверточных слоях и нейронами в полностью связанных слоях для получения принципиальных рекомендаций по сжатию сети.

3.1 Определения

PFA по своей сути управляется данными и, таким образом, использует преимущества набора данных {Xi} ∈RM × I, где Xi - это i-я выборка входных данных, M - количество выборок в наборе данных, а I - входная размерность. Обычно этот набор данных - это данные, используемые для обучения сети, но он также может быть репрезентативным набором, охватывающим распределение входных данных, которые могут встретиться. Без ограничения общности мы предполагаем, что входными данными являются изображения: {Xi} ∈RM × H × W × C, где H - высота изображения, W - ширина изображения, а C - количество каналов.

Рисунок 1: Пример сетевой части. В этой работе PFA применяется после полностью связанных и сверточных слоев. Однако PFA можно применить к любому выходному тензору, например, после пакетной нормализации (bn) или ReLU.

Пусть T [ℓ] i∈R1 × H [ℓ] × W [ℓ] × C [ℓ] будет выходным тензором, созданным данным слоем on сети на i-м входном отсчете. Любая операция в сети считается уровнем (например, пакетная нормализация, ReLU и т. Д.). В этой работе мы анализируем вывод сверточных и полносвязных слоев, как показано на рис.1. Однако PFA можно использовать для анализа выходных данных любого уровня в сети.

Для сверточного слоя ℓ пусть W [ℓ] ∈Rf [ℓ] h × f [ℓ] w × C [ℓ − 1] × C [ℓ] будет набором обучаемых фильтров C [ℓ] с ядром размер f [ℓ] h × f [ℓ] w × C [ℓ − 1]. Следовательно, мы можем формально выразить T [ℓ] i, создаваемую сверточным слоем, как

T [ℓ] i = W [ℓ] ∗ T [ℓ − 1] iwithT [0] i = Xi, (1)

где ∗ обозначает оператор свертки. Мы опускаем термин смещения, чтобы улучшить читаемость.

Мы определяем вектор ответа a [ℓ] i∈RC [ℓ] данного слоя ℓ относительно входа Xi как пространственно объединенный по максимуму и уплощенный тензор T [i] i (т.е. макс-объединение по измерениям H [ℓ] и W [ℓ]). Для полносвязных слоев W [ℓ] ∈RC [ℓ], где C [ℓ] - количество нейронов в слое ℓ. Выходной тензор T [ℓ] i = W [ℓ] T [ℓ − 1] i, и, поскольку объединение не требуется, вектор ответа - это [ℓ] i = T [ℓ] i∈RC [ℓ].

Пусть A [ℓ] = [a [ℓ] 1,…, a [ℓ] M] ⊤∈RM × C [ℓ] будет матрицей ответов слоя ℓ для данного набора данных с M выборками.

Наконец, пусть λ [ℓ] ∈RC [ℓ] будет распределением собственных значений ковариационной матрицы A [ℓ], отсортированным в порядке убывания и нормализованным для суммирования до 1.

В следующих разделах мы представляем два алгоритма, которые используют распределение λ [ℓ] для управления сжатием сети.

3.2 Рецепты компрессии

Распределение λ [ℓ] дает представление о корреляции внутри слоя ℓ. Чем ближе λ [ℓ] к плоскому распределению, тем более декоррелирован отклик фильтров и тем более однороден их вклад в общую энергию отклика.И наоборот, чем ближе λ [ℓ] к δ-распределению Дирака, тем более коррелированы фильтры. Наша гипотеза состоит в том, что слои, которые демонстрируют высокую корреляцию в ответах фильтров, могут одинаково хорошо обучаться, используя меньшее количество фильтров.

Теперь, когда мы определили ключевой ингредиент (λ [ℓ]) для PFA, мы представляем и обсуждаем две стратегии, которые создают рецепт сжатия с целью максимального сжатия при минимизации потери точности. Пусть рецепт сжатия Γ = {γ [ℓ]}, где γ [ℓ] ∈ (0,1], будет набором коэффициентов сжатия, применяемых к каждому из L слоев, включенных в анализ.Например, γ [3] = 0,6 означает, что мы оставляем 60% фильтров в слое 3. Выбор фильтра описан в разделе 3.2.3.

3.2.1 PFA-En: рецепт на основе энергии

PCA можно использовать для уменьшения размерности путем выполнения линейного сопоставления с пространством более низкой размерности, которое максимизирует дисперсию данных в этом пространстве. Это может быть выполнено путем извлечения собственных векторов и собственных значений ковариационной матрицы. Затем исходные данные восстанавливаются с использованием минимального количества собственных векторов, которые соответствуют собственным значениям, которые в сумме дают желаемый коэффициент энергии τ.Вдохновленные этой стратегией, мы предлагаем сохранить минимальный набор фильтров, чтобы сохранялась доля энергии отклика, превышающая или равная заданному пользователем значению τ. Мы определяем энергию при данной степени сжатия для слоя как

E (γ [ℓ]) = ⌈γ [ℓ] ⋅C [ℓ] ⌉∑k = 1λ [ℓ] k, (2)

и предлагаем реконструировать сеть по следующему рецепту:

Γ⋆E (τ) = {minγ [ℓ]} s.t.% E (γ [ℓ]) ≥τ, ∀ℓ. (3)

Параметр τ дает пользователю возможность управлять степенью сжатия.

PFA-En имеет то преимущество, что он тесно связан с хорошо зарекомендовавшими себя методами уменьшения размерности на основе PCA, прост в реализации и использует один очень интуитивно понятный параметр.

3.2.2 PFA-KL: рецепт на основе расхождения KL

Мы предлагаем альтернативную формулировку для получения оптимального рецепта Γ⋆KL, основанную на расходимости KL.Как упоминалось ранее, распределение λ [ℓ], подобное плоскому распределению, подразумевает некоррелированный отклик фильтров в слое ℓ. Следовательно, чем дальше распределение λ [ℓ] от плоского распределения, тем больше слой ℓ может быть сжат.

Определим u как желаемое равномерное распределение (отсутствие корреляции между фильтрами) и d = Dirac (k) как распределение наихудшего случая (все фильтры идеально коррелированы). Мы можем измерить отличие фактического распределения λ [] от желаемого распределения u как KL-расходимость KL (λ [ℓ], u).Верхняя граница которого равна uKL = KL (d, u), а нижняя граница равна 0. Обратите внимание, что можно заменить KL-дивергенцию любой мерой несимметричности между распределениями, такой как χ2 или расстояние земного движителя (Рубнер и др., 1998) .

Предлагаемый рецепт, основанный на расхождении KL, представляет собой отображение ψ: [0, uKL] ↦ (0,1]; расхождение, близкое к верхней границе, приводит к сильному сжатию, а расхождение, близкое к нижней границе, приводит к более мягкому сжатию. :

Γ⋆KL = {ψ (KL (λ [ℓ], u), uKL)}, ∀ℓ. (4)

В этой работе мы используем простое линейное отображение ψ (x, u) = 1− \ nicefracxu. Были исследованы другие сопоставления, приводящие к разным степеням сжатия; однако мы эмпирически наблюдали, что линейное отображение дает хорошие результаты, которые хорошо распространяются на сети.

3.2.3 Выбор фильтра

Рецепты, разработанные PFA-En и PFA-KL, содержат количество фильтров, F [ℓ] = ⌈γ [ℓ] ⋅C [ℓ] ⌉, которые должны храниться в каждом слое, но не указывают, какие фильтры следует быть сохраненным.Один из вариантов - переобучить сжатую сеть из случайной инициализации. В этом случае не имеет значения, какие фильтры выбраны. Альтернативой является выбор фильтров для сохранения и использование их значений для инициализации. Мы делаем это, удаляя те фильтры в каждом слое, которые максимально коррелированы. Для этого мы вычисляем корреляционную матрицу A [ℓ] для каждого слоя [ℓ] и запускаем итерационный процесс: выбирается пара фильтров с наивысшей корреляцией, а из них - фильтр с самой высокой корреляцией с любым другим фильтром. (не в паре) снимается.Если оба имеют равную корреляцию с другим фильтром, один случайным образом удаляется. Мы повторяем этот процесс до тех пор, пока не будет достигнуто количество фильтров F [ℓ].

4 эксперимента

Для оценки PFA алгоритмы применяются к нескольким сетевым архитектурам и наборам данных, и наши результаты сравниваются с современными. В частности, мы будем противопоставлять PFA подходу с отсечением фильтров в (Li et al., 2017) и подходу сужения сети в (Liu et al., 2017) . Для сравнения мы сосредоточимся на степени сжатия и изменении точности, измеряемых в процентных пунктах (пп), полученных с помощью сжатых архитектур. Это позволяет отображать различные методы на одном графике, даже если точность каждой исходной архитектуры немного отличается из-за разных используемых стратегий обучения.

4.1 Сети и наборы данных

В данной статье оцениваются три сети: VGG-16 (Симонян и Зиссерман, 2015) , ResNet-56 (He et al., 2016) и SimpleCNN. Обучаем и тестируем все сети на CIFAR-10 и CIFAR-100 (Крижевский, 2009) .

SimpleCNN - это небольшая CNN, которую мы использовали для демонстрации возможностей PFA, и она состоит из следующих слоев: 3 сверточных слоя размером 96x3x3, выпадающий слой, 3 сверточных слоя размером 192x3x3, выпадающий слой, 1 сверточный слой. размером 192x3x3, 1 сверточный слой размером 192x1x1, 1 сверточный слой размером [количество классов] x1x1 и, наконец, средний пул перед слоем softmax.Мы используем активацию batchnorm и ReLU после каждого сверточного слоя. Вероятность выпадения установлена ​​равной 0,5.

4.2 Методология

Базовый уровень для каждой архитектуры получается путем обучения с использованием 10 случайных инициализаций - мы выбираем инициализацию, которая приводит к наивысшей точности теста, и выполняем вывод на обучающем наборе, чтобы получить ответы на каждом уровне (A [ℓ]), необходимые для PFA анализ. PFA анализирует все слои параллельно, чтобы получить свои рецепты. Сжатые архитектуры создаются по рецептам каждой стратегии PFA.Для каждой новой сжатой архитектуры мы проводим два типа обучения. Сначала мы переобучаемся с 10 различными случайными инициализациями, и этот набор результатов называется Scratch. Во-вторых, мы переобучаемся 10 раз, используя метод выбора фильтра, описанный в разд. 3.2.3, и точно настроить сжатую сеть, исходя из весов сохраненных фильтров. Сообщаемая точность - это среднее значение этих 10 различных переобучений. Обратите внимание, что переобучение выполняется без настройки гиперпараметров.Хотя это неоптимальная стратегия, она устраняет любую двусмысленность в отношении того, насколько хорошо параметры были настроены для базовой линии по сравнению со сжатыми сетями. На практике можно было бы ожидать достижения еще лучших результатов, если бы поиск параметров проводился в сжатых сетях.

Во всех тренингах используется оптимизатор SGD без затухания, скорость обучения 0,1, импульс Нестерова 0,9, 50 эпох для SimpleCNN и 160 для VGG-16 и ResNet-56.

PFA-En вычисляется для каждого значения энергии: τ∈ {0.8,0.85,0.9,0.925,0.95,0.96,0.97,0.98,0.99}, тогда как PFA-KL не содержит параметров и вычисляется один раз для базовой сети.

Рисунок 2: Результаты различных сжатых сетей SimpleCNN. Изменение точности по оси y отображается в процентах. Обратите внимание на то, что все алгоритмы PFA лежат близко к верхней границе, в то время как случайное отсечение сильно снижает точность. Также обратите внимание, как стратегия выбора фильтра улучшается по сравнению со случайной инициализацией (Scratch).

4.3 Результаты

4.3.1 SimpleCNN на CIFAR-10 и CIFAR-100

Эмпирический верхний предел точности при различных степенях сжатия получается путем случайного выбора количества фильтров для удаления на каждом уровне.Если повторить это достаточное количество раз, лучший результат для каждой степени сжатия можно рассматривать как эмпирическую верхнюю границу для этой архитектуры и площади, обозначенную как Верхняя граница, в то время как результат, усредненный по всем испытаниям, представляет сложность случайного выбора, обозначенную как Avg. . случайный. Результаты, помеченные словом Scratch, были обучены при случайной инициализации, а результаты без тега были получены с использованием выбора фильтра. В этих экспериментах мы сгенерировали и обучили 300 случайно сокращенных архитектур для каждой степени сжатия.На рис. 2 точность падает для Avg. random особенно серьезны, в то время как верхняя граница показывает отличные результаты.

На CIFAR-10 обе стратегии PFA, обученные с нуля, дают результаты, близкие к верхнему пределу нуля и значительно лучше, чем средний. случайные результаты царапин. Это указывает на то, что выбор правильного количества фильтров для каждого слоя имеет решающее значение даже для посадочных мест, близких к исходной модели, и показывает, что PFA может выполнить этот выбор, близкий к оптимальному.PFA-KL Scratch достигает площади около 60% при падении точности всего на 0,5 pp, в то время как PFA-En Scratch в этой точке сжатия дает такое же падение точности.

При выполнении выбора фильтра вместо повторного обучения с нуля и PFA-En, и PFA-KL повышают свою точность примерно на 1 п.п. по сравнению с версией Scratch для посадочных мест выше 40%, что приводит к увеличению точности по сравнению с исходной базовой линией. несмотря на меньшую занимаемую площадь. Для посадочных мест выше 42% стратегия выбора фильтра работает даже лучше, чем верхняя граница Scratch.Для отпечатков менее 40% точность начинает ухудшаться. В CIFAR-100 выбор фильтра увеличивает свой выигрыш до 2 п.п. по сравнению с версией Scratch, несмотря на более сложный характер набора данных, о чем свидетельствует более быстрое падение точности после отметки 40%.

Мы обнаружили, что стратегия выбора фильтра сходится быстрее и работает стабильно лучше для разных архитектур и наборов данных, и с этого момента мы будем сообщать результаты только с использованием PFA с выбором фильтра.

Интересно, что при отметке в 10% случайная инициализация оказывается лучше, чем теплый старт. Возможно, что при очень небольшом количестве фильтров начальная точка, обеспечиваемая теплой инициализацией, слишком сильно ограничивает оптимизацию. Для тонких слоев случайная инициализация может дать больше возможностей для исследования на этапе обучения.

4.3.2 VGG-16 на Цифар-10 и Цифар-100

Для CIFAR-10 мы сравниваем результаты PFA с результатами, полученными Li et al.и Liu et al., после одной итерации Liu et al. для прямого сравнения с PFA и Li et al. (см. Рис. 2 (a), 2 (b) и Табл. 1).

PFA-En и KL превосходят Li et al. и Лю и др. на CIFAR-10 и CIFAR-100. В частности, на CIFAR-10 PFA-En (τ = 0,98) и KL достигают примерно 8-кратного и 5-кратного сжатия с увеличением точности по сравнению с базовой линией на 0,4 и 0,3 п.п. соответственно. Лю и др. создает площадь основания в 2,5 раза больше и точность примерно на 0,5 п.п. ниже, чем у PFA-En. Ли и др.создает площадь основания в 5 раз больше, а точность примерно на 0,2 п.п. ниже, чем у PFA-En, и на 0,1 ниже, чем у PFA-KL. На CIFAR-100 PFA-En (τ = 0,98) и KL достигают примерно 2,3-кратного сжатия с увеличением точности по сравнению с базовой линией 1,7 и 1,4 п.п. соответственно. Для сравнения, Liu et al. Со степенью сжатия в 1,2 раза меньшей обеспечивает точность на 1,2 п.п. ниже, чем у PFA-En, и на 1,3 п.п. ниже, чем у PFA-KL.

4.3.3 ResNet-56 на CIFAR-10 и CIFAR-100

По CIFAR-10, Ли и др.приводит к занимаемой площади 86,3% с незначительным падением точности по сравнению с базовой линией. PFA-En (τ = 0,98) обеспечивает аналогичную точность, но с меньшей площадью основания: 61,5%. PFA-KL обеспечивает еще меньшую занимаемую площадь, 59,6%, с падением точности на 0,6 п. П. Аналогичные результаты наблюдаются для CIFAR-100, как показано на рис. 2 (d).

(а) VGG-16 на CIFAR-10 (b) VGG-16 на CIFAR-100 (c) ResNet-56 на CIFAR-10 (d) ResNet-56 на CIFAR-100
Рисунок 3: Результаты различных сжатых сетей VGG-16 и ResNet-56.Изменение точности по оси y отображается в процентах. Обратите внимание, что при сопоставимой занимаемой площади PFA лучше, чем современный уровень техники, но при этом обладает гибкостью для достижения дополнительных степеней сжатия.
Li et al. Liu et al. PFA-En (τ = 0,98) PFA-KL
CIFAR-10 ВГГ-16 % Площадь основания 65,8% 33,3% 12,7% 19.6%
Δ Точность 0,15 -0,17 0,4 0,24
ResNet-56 % Площадь основания 86,3% 61,5% 59,6%
Δ Точность 0,02 -0,18 -0,61
CIFAR-100 ВГГ-16 % Площадь основания 40,9% 33.1% 41,9%
Δ Точность 0,22 1,4 1,40
ResNet-56 % Площадь основания 81,5% 73,6%
Δ Точность -1,68 -2,85
Таблица 1: Результаты по CIFAR-10 и CIFAR 100 для VGG-16 и ResNet-56.
4.3.4 Сводка сжатия

Результаты показывают, что PFA стабильно работает для разных архитектур и наборов данных.Часто PFA сжимает сеть и обеспечивает точность выше базовой. Это указывает на то, что при уменьшении размера модель становится менее подверженной чрезмерной подгонке.

Сравнение с Li et al. и Лю и др. показывают, что PFA более эффективен, чем современные методы, и не требует свипирования параметров. Кроме того, у PFA-En и PFA-KL есть четыре основных преимущества:

  1. PFA не нужно знать ни функцию потерь, ни какие-либо детали процедуры обучения;

  2. PFA можно применить к отклику любого слоя;

  3. PFA-En имеет один параметр, определяемый пользователем, который интуитивно понятен и хорошо понятен: уровень энергии, который должен сохраняться в слое;

  4. PFA-KL не требует параметров.

Liu et al. имеет два важных параметра: вес регуляризатора разреженности и процент фильтров, которые нужно удалить. Вес имеет прямое влияние на индуцированную разреженность, однако нет интуитивно понятного способа установить этот параметр, и его нужно настраивать для каждой архитектуры и набора данных. Кроме того, установка одинакового процента фильтров для удаления на каждом уровне для всей сети игнорирует относительное влияние этих фильтров на точность и размер сети.

Установка пороговых значений в Li et al. является нетривиальным и требует от пользователя выбора пороговых значений сжатия на основе предварительного анализа, который дает представление о чувствительности каждого слоя к обрезке.

5 Выводы

Были представлены два элегантных и простых в реализации метода сжатия нейронных сетей с использованием анализа основных фильтров: PFA-En и PFA-KL. Эти методы используют внутреннюю корреляцию характеристик фильтров внутри слоев для сжатия сетей без ущерба для точности.Эти методы могут применяться к выходному отклику любого уровня без знания процедуры обучения или функции потерь. Несмотря на простоту реализации, оба алгоритма превосходят современные результаты, обеспечивая при этом то преимущество, что PFA-KL не содержит параметров, а PFA-En имеет единственный интуитивно понятный параметр: энергию, которая должна сохраняться на каждом уровне.

Выполняя спектральный анализ ответов, а не весов, PFA позволяет пользователям использовать преимущества трансферного обучения и создавать небольшие специализированные сети, оптимально спроектированные для конкретной задачи, начиная с той же базовой модели.

Интересно отметить, что все современные алгоритмы сжатия, включая PFA-KL, не сходятся при многократном применении. Это связано с этапом переобучения, который изменяет веса, чтобы оптимизировать целевую функцию, которая не принимает во внимание критерии сжатия. В практических приложениях это не ограничение, так как большинство моделей имеют тенденцию быть завышенными, и пользователи могут применять алгоритмы сжатия до тех пор, пока точность не упадет ниже приемлемого уровня.Однако это интересное теоретическое ограничение, которое может вдохновить на будущие работы. В частности, для PFA это может быть стратегия, которая также может предлагать расширение слоев, чтобы можно было достичь оптимального размера при сходимости.

Благодарности

Мы благодарны нашим коллегам Барри Теобальду, Шреясу Саксене, Айтору Альдома, Муссе Думбуя, Кэтрин Меткалф, Натану Икесу, Руссу Уэббу и Джерреми Холланду за их ценный вклад.

Что такое LC-фильтр?

Пример: схема низкочастотного LC-фильтра

Что такое LC-фильтр?

LC-фильтр объединяет катушки индуктивности (L) и конденсаторы (C) для формирования низкочастотной, высокочастотной, мультиплексорной, полосовой или полосовой фильтрации в радиочастотах (RF) и во многих других приложениях.Пассивные электронные LC-фильтры блокируют или уменьшают шум (EMI) от цепей и систем и разделяют или кондиционируют полезные сигналы.

В то время как идеальные фильтры пропускают нужные частоты сигнала без вносимых потерь или искажений и полностью блокируют все сигналы в полосе задерживания, реальные фильтры имеют сопротивления постоянного и переменного тока, которые вносят вклад в вносимые потери, что требует тщательного выбора компонентов. Выбор точных значений деталей для конкретного применения требует компонентов высокого качества, а также полных технических характеристик и моделей производительности.Самыми простыми в разработке и реализации являются низкочастотный и высокочастотный типы.

Coilcraft, высокодобротные, жесткие, устанавливаемые на поверхность индукторы ВЧ-микросхем и индукторы с воздушным сердечником помогают достичь максимальной производительности во всех этих категориях ЖК-фильтров.

Как вы проектируете ЖК-фильтры?

Настройка (тип) фильтра определяет равномерность частотной характеристики и резкость среза. Существует много типов выравнивания, в том числе с наиболее часто желаемыми характеристиками, такими как Баттерворт, Бессель, Чебышев и эллиптическое.

Простейший LC-фильтр состоит из одной катушки индуктивности и одного конденсатора. При выравнивании фильтров более высокого порядка используется больше компонентов, чтобы дать более резкий, более определенный спад при ослаблении нежелательного шума. Например, эллиптические фильтры (Кауэра) дают самый резкий спад и наименее чувствительны к колебаниям компонентов. В качестве компромисса в эллиптических LC-фильтрах больше пульсаций в полосе пропускания и задержек.

Для получения более подробной информации о различных настройках фильтров, приведенных в Приложении A к данной инструкции по применению.

Приложение A: Проектирование и анализ пассивных ЖК-фильтров. Настройки и свойства фильтров.

Современные программы синтеза и анализа схем могут быстро выполнять утомительные и трудоемкие вычисления для проектирования ЖК-фильтров. Программы синтеза фильтров генерируют требуемые значения индуктивности (L) и емкости (C). Программы анализа моделируют результаты после того, как пользователь вводит соответствующие значения. После расчета исходных идеальных значений практические решения создаются с использованием готовых компонентов.

В идеале, можно было бы просто определить диапазон частот, который должен быть пропущен, и те, которые должны быть заблокированы, и программа генерировала бы стандартные значения компонентов, что дало бы реальную производительность на плате. На самом деле проектирование пассивного ЖК-фильтра начинается с расчетов, а затем требуется очень итеративный процесс проб и ошибок, чтобы сопоставить фактическую производительность с требуемой производительностью. Чтобы ускорить время проектирования и повысить точность расчетов, доступны модели реальных индукторов.

Для многих проектов необходимы точные модели индуктивности, основанные на реальных измерениях компонентов, но для моделирования можно использовать идеальные конденсаторы. Для моделирования фильтров вблизи гигагерцового диапазона могут также потребоваться неидеальные модели конденсаторов.

Доступны бесплатные программы для создания базовых конструкций LC-фильтров. Программное обеспечение Coilcraft LC Low Pass Filter Designer от Nuhertz использует основанные на реальных измерениях модели s-параметров катушек индуктивности для улучшенного моделирования фильтров.

Как вы разрабатываете фильтры нижних частот с помощью программного обеспечения Coilcraft LC filter Designer (Nuhertz Technologies FilterSolutions®)?

  • Конструкция эллиптических фильтров нижних частот
  • Выберите 3, 5 или 7 полюсов
  • Использует фактические данные индуктивности Coilcraft
  • Анализ S-параметров
  • Волновое сопротивление 50 Ом
  • Запросите бесплатные образцы индукторов Coilcraft прямо из программного обеспечения

Хотя такое моделирование может быть приемлемым для многих конструкций, следует отметить, что они не включают паразитные характеристики печатной платы, которые влияют на фактическую частоту отсечки компонентов, установленных на любой печатной плате.

Идеальные значения компонентов, сгенерированные программами моделирования, могут использоваться в качестве хорошей отправной точки для проектирования фильтров, однако, если игнорировать все паразитные характеристики компонентов и печатной платы, результаты могут быть не очень близки к реальным характеристикам. Это может привести к длительному процессу настройки и регулировки, особенно для фильтров с высокой частотой среза.

Для примеров высокопроизводительных конструкций, включая паразитные эффекты компонентов и паразитные взаимодействия компонентов на керамической печатной плате, попробуйте следующие эталонные конструкции LC-фильтров Coilcraft.

Разработка фильтров нижних и верхних частот с помощью эталонных образцов LC-фильтров Coilcraft

Эти эталонные конструкции включают фильтры нижних и верхних частот Баттерворта 3-го порядка, а также эллиптические фильтры 7-го порядка и демонстрируют высокие характеристики, которые могут быть достигнуты при использовании катушек индуктивности Coilcraft и стандартных конденсаторов.

Эталонные конструкции фильтров нижних частот 3-го порядка обеспечивают широкий диапазон частот среза от 3 МГц до 3 ГГц. Для 3-полюсных фильтров верхних частот достижимы частоты среза от 15 МГц до 900 МГц.

По сравнению с фильтром Баттерворта эллиптические фильтры уравновешивают пульсации как в полосе пропускания, так и в полосе заграждения. Однако для того же уровня порядка эллиптический имеет самый быстрый переход между полосой пропускания и полосой задерживания. Coilcraft предлагает эллиптические эталоны 7-го порядка с вносимыми потерями менее 0,3 дБ при характеристическом сопротивлении 50 Ом. К ним относятся наши стандартные индукторы с ферритовыми кристаллами серии 1812LS с допусками всего 5%. Эти эллиптические фильтры нижних частот 7-го порядка обеспечивают резкую скорость спада 80 дБ / дек и широкий диапазон частот среза от 0.От 3 МГц до 500 МГц.

Эталонные конструкции ЖК-фильтров Coilcraft

могут сэкономить ваше время, усилия и деньги, позволяя лучше выбирать правильные компоненты, оценивать реальную производительность по сравнению с расчетами и достигать желаемых результатов.

В каких приложениях используются фильтры LC?

LC фильтры нижних частот и LC верхних частот используются во многих общих приложениях фильтрации для блокировки нежелательных частот и удовлетворения требований EMC / EMI. Они также используются в следующих конкретных приложениях:

Эталонный дизайн эллиптического фильтра 9-го порядка для приложений MoCA®

Эта эталонная конструкция эллиптического фильтра 9-го порядка для приложений MoCA® показывает реальный пример эллиптического фильтра высокого порядка с острой отсечкой и использованием индукторов Coilcraft RF с воздушным сердечником.

Индукторы с воздушным сердечником Coilcraft Micro Spring ™, используемые в этой конструкции, обеспечивают высокую производительность, необходимую для фильтров MoCA. Сочетание значений индуктивности и рабочих характеристик делает эти стандартные индукторы идеальными для применения этих фильтров в телевизионных приставках и кабельных модемах. При таком жестком допуске, как 1%, больше нет необходимости настраивать эти фильтры.

Усилители класса D

Для выполнения требований ЭМС в усилителях класса D с выходной мощностью более 10 Вт на выходе усилителя используется LC-фильтр для сглаживания пульсаций тока из-за переключения.Двойные индукторы объединяют два индуктора класса D в одном корпусе для достижения минимально возможной занимаемой площади. Высокотемпературные двойные индукторы класса D AEC-Q200 Grade 1 подходят для суровых условий автомобильной промышленности.

Эти индукторы класса D от Coilcraft разработаны специально для приложений мощностью до 100 Вт.

Примечания к приложению

Эталонный дизайн фильтра Coilcraft LC

Проектирование и анализ пассивного ЖК-фильтра

Разработка эллиптического фильтра 9-го порядка для приложений MoCA®

Дизайнерские наборы

ВЧ индукторы поверхностного монтажа

Что дальше?

Подробнее: Начало работы Серия

Что такое брандмауэр и как он работает?

Введение

Межсетевой экран - это система, которая обеспечивает безопасность сети путем фильтрации входящего и исходящего сетевого трафика на основе набора правил, определенных пользователем.В общем, цель брандмауэра состоит в том, чтобы уменьшить или исключить возникновение нежелательных сетевых подключений, позволяя при этом всем законным коммуникациям проходить свободно. В большинстве серверных инфраструктур брандмауэры обеспечивают важный уровень безопасности, который в сочетании с другими мерами предотвращает доступ злоумышленников к вашим серверам злонамеренными способами.

В этом руководстве будет рассмотрено, как работают межсетевые экраны, с акцентом на программные межсетевые экраны с отслеживанием состояния , такие как iptables и FirewallD, применительно к облачным серверам.Мы начнем с краткого объяснения TCP-пакетов и различных типов межсетевых экранов. Затем мы обсудим различные темы, относящиеся к межсетевым экранам с отслеживанием состояния. Наконец, мы предоставим ссылки на другие руководства, которые помогут вам настроить брандмауэр на вашем собственном сервере.

Сетевые пакеты TCP

Прежде чем обсуждать различные типы межсетевых экранов, давайте кратко рассмотрим, как выглядит сетевой трафик TCP.

Сетевой трафик TCP перемещается по сети в пакетах , которые представляют собой контейнеры, состоящие из заголовка пакета, который содержит управляющую информацию, такую ​​как адреса источника и назначения, а также информацию о последовательности пакетов, а также данные (также известные как полезная нагрузка).Хотя управляющая информация в каждом пакете помогает гарантировать правильную доставку связанных с ним данных, элементы, которые он содержит, также предоставляют межсетевым экранам различные способы сопоставления пакетов с правилами межсетевого экрана.

Важно отметить, что для успешного получения входящих TCP-пакетов получатель должен отправить исходящие пакеты подтверждения обратно отправителю. Комбинация управляющей информации во входящих и исходящих пакетах может использоваться для определения состояния соединения (например,грамм. новый, установленный, связанный) между отправителем и получателем.

Типы межсетевых экранов

Давайте быстро обсудим три основных типа сетевых брандмауэров: фильтрация пакетов (без сохранения состояния), с отслеживанием состояния и уровень приложений.

Пакетная фильтрация, или межсетевые экраны без сохранения состояния, работают, проверяя отдельные пакеты изолированно. Таким образом, они не знают о состоянии подключения и могут разрешать или запрещать пакеты только на основе отдельных заголовков пакетов.

Брандмауэры

с отслеживанием состояния могут определять состояние соединения пакетов, что делает их гораздо более гибкими, чем межсетевые экраны без отслеживания состояния.Они работают, собирая связанные пакеты до тех пор, пока не будет определено состояние соединения, прежде чем какие-либо правила брандмауэра будут применены к трафику.

Брандмауэры

идут еще дальше, анализируя передаваемые данные, что позволяет сопоставить сетевой трафик с правилами брандмауэра, специфичными для отдельных служб или приложений. Их также называют межсетевыми экранами на основе прокси.

В дополнение к программному обеспечению межсетевого экрана, которое доступно во всех современных операционных системах, функциональность межсетевого экрана может также обеспечиваться аппаратными устройствами, такими как маршрутизаторы или устройства межсетевого экрана.Опять же, наше обсуждение будет сосредоточено на программных брандмауэрах с отслеживанием состояния, которые работают на серверах, которые они предназначены для защиты.

Правила межсетевого экрана

Как упоминалось выше, сетевой трафик, проходящий через брандмауэр, сравнивается с правилами, чтобы определить, следует ли его пропускать или нет. Простой способ объяснить, как выглядят правила брандмауэра, - это показать несколько примеров, и мы сделаем это сейчас.

Предположим, у вас есть сервер со следующим списком правил брандмауэра, которые применяются к входящему трафику:

  1. Принимать новый и установленный входящий трафик к общедоступному сетевому интерфейсу на портах 80 и 443 (веб-трафик HTTP и HTTPS)
  2. Отбросить входящий трафик с IP-адресов нетехнических сотрудников в вашем офисе на порт 22 (SSH)
  3. Принимать новый и установленный входящий трафик из диапазона IP-адресов вашего офиса на интерфейс частной сети через порт 22 (SSH)

Обратите внимание, что первое слово в каждом из этих примеров - «принять», «отклонить» или «отбросить».Это определяет действие, которое брандмауэр должен выполнить в случае, если часть сетевого трафика соответствует правилу. Принять означает разрешить прохождение трафика, отклонить означает заблокировать трафик, но ответить с ошибкой «недоступен», а отбросить означает заблокировать трафик и не отправить ответа. Остальная часть каждого правила состоит из условия, с которым сопоставляется каждый пакет.

Как оказалось, сетевой трафик сопоставляется со списком правил брандмауэра в последовательности или цепочке от первого до последнего.Более конкретно, как только правило найдено, соответствующее действие применяется к рассматриваемому сетевому трафику. В нашем примере, если сотрудник бухгалтерии попытается установить SSH-соединение с сервером, он будет отклонен на основании правила 2 до того, как правило 3 будет проверено. Системный администратор, однако, будет принят, потому что он будет соответствовать только правилу 3.

Политика по умолчанию

Типично, что цепочка правил брандмауэра явно не охватывает все возможные условия.По этой причине для цепочек межсетевых экранов всегда должна быть указана политика по умолчанию, которая состоит только из действия (принять, отклонить или отбросить).

Предположим, что политика по умолчанию для приведенного выше примера цепочки была установлена ​​на drop . Если какой-либо компьютер за пределами вашего офиса попытается установить SSH-соединение с сервером, трафик будет пропущен, поскольку он не соответствует условиям каких-либо правил.

Если для политики по умолчанию установлено значение , принять , любой, кроме ваших собственных нетехнических сотрудников, сможет установить соединение с любой открытой службой на вашем сервере.Это был бы пример очень плохо настроенного брандмауэра, потому что он не пропускает доступ только к подмножеству ваших сотрудников.

Входящий и исходящий трафик

Поскольку сетевой трафик с точки зрения сервера может быть входящим или исходящим, межсетевой экран поддерживает отдельный набор правил для каждого случая. Входящий трафик, который исходит из другого источника, обрабатывается иначе, чем исходящий трафик, который отправляет сервер. Обычно сервер разрешает большую часть исходящего трафика, потому что сервер обычно сам по себе заслуживает доверия.Тем не менее, набор исходящих правил может использоваться для предотвращения нежелательной связи в случае, если сервер скомпрометирован злоумышленником или вредоносным исполняемым файлом.

Чтобы максимизировать преимущества безопасности брандмауэра, вы должны определить все способы, которыми вы хотите, чтобы другие системы взаимодействовали с вашим сервером, создать правила, которые явно разрешают их, а затем отбросить весь остальной трафик. Имейте в виду, что должны быть установлены соответствующие исходящие правила, чтобы сервер позволял себе отправлять исходящие подтверждения любым подходящим входящим соединениям.Кроме того, поскольку серверу обычно необходимо инициировать собственный исходящий трафик по разным причинам - например, для загрузки обновлений или подключения к базе данных - важно также включить эти случаи в ваш набор исходящих правил.

Написание исходящих правил

Предположим, что в нашем примере межсетевой экран настроен на , отбрасывать исходящего трафика по умолчанию. Это означает, что наши правила приема accept были бы бесполезны без дополнительных исходящих правил.

Чтобы дополнить примеры правил для входящего брандмауэра (1 и 3) из раздела Правила брандмауэра и обеспечить надлежащую связь по этим адресам и портам, мы могли бы использовать эти правила исходящего брандмауэра:

  1. Принять установленный исходящий трафик к общедоступному сетевому интерфейсу на портах 80 и 443 (HTTP и HTTPS)
  2. Принять установленный исходящий трафик к интерфейсу частной сети через порт 22 (SSH)

Обратите внимание, что нам не нужно явно писать правило для отбрасываемого входящего трафика (входящее правило 2), потому что серверу не нужно устанавливать или подтверждать это соединение.

Теперь, когда мы рассмотрели, как работают брандмауэры, давайте взглянем на распространенные программные пакеты, которые могут помочь нам установить эффективный брандмауэр. Хотя существует множество других пакетов, связанных с брандмауэром, они эффективны, и именно с ними вы будете чаще всего сталкиваться.

Iptables

Iptables - это стандартный брандмауэр, включенный по умолчанию в большинство дистрибутивов Linux (его заменит современный вариант под названием nftables). На самом деле это интерфейс для обработчиков netfilter уровня ядра, которые могут управлять сетевым стеком Linux.Он работает, сопоставляя каждый пакет, который проходит через сетевой интерфейс, с набором правил, чтобы решить, что делать.

Чтобы узнать, как реализовать брандмауэр с помощью iptables, перейдите по этим ссылкам:

UFW

UFW, что означает несложный межсетевой экран, представляет собой интерфейс к iptables, предназначенный для упрощения процесса настройки межсетевого экрана.

Чтобы узнать больше об использовании UFW, ознакомьтесь с этим руководством: Как настроить брандмауэр с UFW на сервере Ubuntu и Debian Cloud.

Межсетевой экран D

FirewallD - это полноценный брандмауэр, доступный по умолчанию на серверах CentOS 7. Между прочим, FirewallD использует iptables для настройки netfilter.

Чтобы узнать больше об использовании FirewallD, ознакомьтесь с этим руководством: Как настроить FirewallD для защиты вашего сервера CentOS 7.

Если вы используете CentOS 7, но предпочитаете использовать iptables, следуйте этому руководству: Как перейти с FirewallD на Iptables в CentOS 7.

Fail2ban

Fail2ban - это программа для предотвращения вторжений, которая может автоматически настраивать ваш брандмауэр для блокировки попыток грубой силы входа в систему и DDOS-атак.

Чтобы узнать больше о Fail2ban, перейдите по этим ссылкам:

Заключение

Теперь, когда вы понимаете, как работают брандмауэры, вам следует рассмотреть вопрос о реализации брандмауэра, который повысит вашу безопасность настройки вашего сервера, используя приведенные выше руководства.

Если вы хотите узнать больше о том, как работают брандмауэры, перейдите по этим ссылкам:

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *