Rob's web

Netfilter

Stoorsignalen op het lichtnet kunnen overal vandaan komen. Niet alleen de zware industrie is daar schuld aan. Ook huishoudelijke apparaten en elektronica-hobbyisten werken niet altijd storingvrij Het zonder aanleiding uitvallen van apparatuur kan soms het gevolg zijn van storingen op het net. Dit netfilter werkt voor het aangesloten apparaat twee kanten uit: storingen van anderen kunnen niet naar binnen en de eigen storingen kunnen niet naar buiten.

Eigenlijk hoort er op het stopkontakt uitsluitend een sinusvormige wisselspanning te staan met een effektieve waarde van 220 V en een frekwentie van 50 Hz. Wanneer dat het geval zou zijn, dan hadden we niet aan dit artikel hoeven te beginnen, dus het is zoals gebruikelijk toch weer niet zo ideaal als wenselijk. Op het lichtnet zijn in toenemende mate hoog-, hoger- en hoogstfrekwente stoorpulsen en -dips te vinden. Grootverbruikers en thyristorsturingen worden al gauw als de boosdoeners aangewezen. Maar wat dacht u van lichtnet-babyfoons, dimmers, de schakelende voeding van de computer, de computer zelf of koelkasten en diepvriezers. De lijst is nog wel iets verder uit te breiden. Eigenlijk is alles dat aan- of uitgeschakeld wordt een potentiële netvervuiler. Daarom moet een netfilter ook naar twee kanten werken. Er mogen geen storingen worden binnengelaten die de aangesloten apparatuur zouden kunnen beschadigen, maar de storing die door dat apparaat wordt veroorzaakt mag ook niet buiten geraken. Netvervuiling is tenslotte ook een vorm van milieu-vervuiling (van het elektrische milieu, wel te verstaan). En ook hier geldt: De vervuiler betaalt (het netfilter).

Fig 1
Figuur 1. In dit schema is de stroomrichting getekend van twee verschillende soorten storingen. Hoe deze in de stoorbron en de gestoorde apparatuur precies lopen, is niet eenvoudig te voorspellen omdat dit onder andere bepaald wordt door de grootte van Z en de verschillende parasitaire kapaciteiten.

Het principe

Een filter voor de netspanning is eigenlijk niet anders opgebouwd dan elk ander passief filter. Met behulp van kondensatoren en/of spoelen wordt het frekwentiebereik beperkt waarbinnen signalen ongehinderd kunnen passeren. Voor het ontstoren van de netspanning is het voldoende om een laagdoorlaatfilter te maken met een kantelfrekwentie die (net) boven 50 Hz ligt. De gebruikte komponenten verschillen echter wel van zomaar een willekeurig passief filter. De toegepaste komponenten moeten namelijk voldoen aan de (veiligheids)normen die in dit toepassingsgebied gelden. Zo zijn er bijvoorbeeld grenzen gesteld aan kapacitieve belastingen. Ontstoorkondensatoren die tussen fase & aarde en nul & aarde worden aangebracht, mogen bijvoorbeeld niet groter zijn dan 2n2 of bij uitzondering 22 n als het om apparatuur gaat met een vaste aansluiting. Dat voorkomt enerzijds dat er bij het in- en uitschakelen van een verbruiker te grote stromen gaan lopen, en anderzijds dat onbetrouwbaar geaarde apparaten of net uitgetrokken netstekers aanraakgevaarlijk worden.

Maar met alleen kondensatoren blijft de filterwerking een wat slappe aangelegenheid. Door het toevoegen van spoelen, die in deze toepassing gewoonlijk smoorspoelen worden genoemd, is de onderdrukking van storingen wezenlijk te verbeteren. Hoe groter de zelfinduktie van die spoelen, des te beter is de storingsonderdrukking. Maar aangezien dan tevens de impedantie van de spoel toeneemt, zijn hieraan ook grenzen gezet.

Smoorspoelen zijn er in drie verschillende uitvoeringen. Het eenvoudigst is de verzadigingssmoorspoel. Die heeft op het inschakelmoment van een belasting een hoge zelfinduktie die in de bedrijfsfase sterk afneemt doordat de ijzer(ferriet)kern in verzadiging raakt. Dit type smoorspoel heeft alleen maar effekt op symmetrische storingen (storingen die over de fase en de nulleider staan). Het tweede type is de stroomgekompenseerde ringkernsmoorspoel met dubbele wikkeling. Hiermee zijn asymmetrische storingen (storingen tussen fase & aarde en nul & aarde) goed te onderdrukken.

Deze storingen ontstaan vooral door kapacitieve koppelingen in het apparaat en komen even sterk en gelijkgepoold via de fase en nul in het net terecht. De spoelen die in de fase en de nulleider zijn opgenomen, zijn zo geschakeld dat de (gelijkgepoolde) storingen elkaar via het opgewekte magneetveld onderdrukken. De belastingsstroom die tegengesteld gepoold door de spoelen heen loopt, wordt echter niet gehinderd door de smoor-spoel.

Grootverbruikers die 100 A of meer opnemen en dan ook nog een voornamelijk symmetrische vervuiling veroorzaken, kunnen ook (een of meer) smoorspoelen met ijzerkern gebruiken. Maar nu zorgt bijvoorbeeld een luchtspleet er voor dat de kern niet in verzadiging raakt, zodat ook tijdens bedrijf storingen worden onderdrukt.

Geen speciaal type smoorspoel, maar wel aan speciale eisen gebonden, zijn smoorspoelen die in de aardleiding worden opgenomen. Deze smoorspoelen zijn geschikt voor het onderdrukken van asymmetrische storingen. Maar omdat ze in een leiding zitten die voor veiligheid moet zorgen, zijn ze niet de eerste keus en gelden er extra eisen. Zo moet de draaddoorsnede even groot zijn als is voorgeschreven voor de aardleiding waarin de spoel wordt opgenomen. Verder stelt onder andere de VDE-norm dat de spanning over de spoel bij viermaal de nominale stroom niet meer dan 4 V mag zijn.

Fig 2
Figuur 2. Het schema van het netfilter.

Het filter

In vergelijking met veel kant en klare filters bevat ons filter een tamelijk groot aantal komponenten. Maar daar krijgt u ook wat voor terug. De netspanning wordt op het filter aangesloten via printkroonsteen K1. Daar direkt achter bevindt zich een circuitje met als belangrijkste komponent LED D1 die aangeeft of de spanning aanwezig is. C1 en R1 vormen samen de voorschakelweerstand (eigenlijk voorschakelimpedantie) voor de LED. D2 zorgt er voor dat de LED geen grote sperspanningen krijgt te verwerken en dat C1 geen lading vasthoudt door de gelijkrichtende werking van D1. Via R1 kan de lading van C1 ontwijken als de verbinding met het net wordt verbroken, zodat de spanning over C1 snel een veilige waarde bereikt. Datzelfde doet R3 voor C2. C2 is de eerste komponent die de aanval inzet op asymmetrische storingen (storingen tussen fase en nul). Voor C2 zit nog een varistor (VDR1) die spanningen boven 250 V afkapt en zo voorkomt dat de filterkomponenten zelf schade oplopen door stoorsignalen. Na C2 volgt een stroomgekompenseerde smoorspoel met dubbele wikkeling die symmetrische storingen onderdrukt. C3 is opnieuw een kondensator voor het onderdrukken van asymmetrische storingen. Deze wordt tot slot gevolgd door een tweetal kondensatoren (C4, C5) die zich met symmetrische storingen bezighouden. Na deze laatste komponenten hebt u via K2 de beschikking over een "schone" netspanning.

Fig 3
Figuur 3. De print voor het netfilter. Vergeet niet de aardbaan op de print te verdikken met een stukje installatiedraad van 2,5 mm2.

Onderdelenlijst
R11 M / 0,3 W
R23k3 / 0,3 W
R3330 k / 0,3 W
VDR1SIOV S10K250 (Siemens)
C1150 n / 630 V=
C2,C3470 n/ 250 Vac, klasse X2
C4,C52n2/ 250 Vac, klasse Y
L12 × 10 mH, bijv. RD62-3 van Schaffner (Imax = 3 A) of 2 × 4 mH, bijv. RD62-6 van Schaffner (Imax = 6 A)
D1LED
D21N4007
K1,K2driepolige printkroonsteen, steek 10 mm
euro-chassisdeel male met randaarde en ingebouwde zekeringhouder, plus een glaszekering 2,5 T bij RD62-3 of 5 T bij RD62-6
euro-chassisdeel female met randaarde.
PrintEPS 90016
kastje110 × 110 × 65 mm, bijv. 93.220 van Schyller

Ondanks het feit dat het filter er van de kant van K1 gezien anders uitziet dan van de kant van K2, is het filter naar beide zijden werkzaam. Het is dan ook beter om niet van in- en uitgang maar van net- en verbruikerszijde te spreken. De asymmetrie in het filter wordt vooral veroorzaakt door het feit dat de storingen die via de netzijde binnen komen wat ruiger van aard (kunnen) zijn dan die afkomstig van de verbruikers-zijde. Dat wil overigens niet zeggen dat u bijna niets via het filter kunt voeden, want afhankelijk van het type spoel dat in het filter wordt gemonteerd, bedraagt de maximaal toelaatbare stroomopname respektievelijk 3 en 6 ampère.

C2...C5

Bij de kondensatoren C2...C5 vindt u naast de gebruikelijke gegevens over waarde en werkspanning ook nog klasse-aanduidingen die aangeven dat de kondensatoren aan extra (veiligheids)eisen voldoen. Omwille van de veiligheid moet u de verleiding om gewone kondensatoren te gebruiken dan ook met alle kracht weerstaan. Het verschil met gewone kondensatoren zit onder andere in de doorslagspanning. Mag een gewone kondensator van 250 Vac in principe al doorslaan bij (piek)spanningen (vlak) boven 339,4 V= , bij de hier gespecificeerde kondensatoren ligt dat anders. Kondensatoren in deze klassen moeten ook (onder gespecificeerde omstandigheden) piekspanningen kunnen verwerken die bij de Y-klasse kunnen oplopen tot 5 kV. Volgens de geraadpleegde dokumentatie is het verschil tussen X- (X1- en X2-) kondensatoren en Y-kondensatoren de plaats waar de kondensator wordt toegepast. Dat werd ongeveer zo geformuleerd: X-kondensatoren mogen alleen worden toegepast op plaatsen waar een defekte kondensator geen elektrische schok kan veroorzaken bij personen. Y-kondensatoren moeten worden toegepast op plaatsen waar een defekt in de kondensator wel kan leiden tot een elektrische schok bij personen. Het lijkt op het eerste gezicht wel alsof de schok minder erg is als er een Y kondensator in de schakeling zit. Het echte verschil tussen X- en Ykondensatoren zijn natuurlijk de eisen waar zij aan moeten voldoen en die bij Y-typen voor de veiligheid strenger zijn dan bij de X-typen. En dat gegeven bepaalt dan of een komponent wel of niet op een bepaalde plaats mag worden toegepast.

Een willekeurig gekozen kondensator is daarom ook volkomen ongeschikt voor dit filter.

De bouw

De montage van deze schakeling zal niemand onoverkomelijke problemen geven. Ook de bijzondere (voor ons dan) komponenten moeten probleemloos te kopen (bestellen) zijn. Als u voor L1 het 6-A-type kiest, wijkt de montage van het gebruikelijke af. Dit type wordt namelijk met de aansluitdraden naar boven op de print vastgeschroefd, waarna de aansluit-draden worden vastgesoldeerd (zie figuur 4). Het kleinere type wordt wel als een printkomponent direkt op de print gesoldeerd. Verder moet de aardbaan op de print nog "op dikte" worden gebracht. Dat doet u door een stukje installatie-draad van 2,5 mm2 op de print-baan vast te solderen. Uiteraard moet het filter - als alles funktioneert - veilig worden ingebouwd. Dat kan in een bestaand apparaat (na de netzekering) of in een kunststoffen kastje, zoals ons prototype (zekering in de net-entree). In dat geval is het ook mogelijk om via een meervoudige (tafel)kontaktdoos meerdere apparaten aan te sluiten - die elkaar dan natuurlijk niet mogen storen. De euro-chassisdelen die we hebben gebruikt, zijn zogenaamde koude typen. Dit wil zeggen dat ze mogen worden toegepast op apparaten die niet warmer worden dan 60 °C. Dit in tegenstelling tot de warme typen die we vooral op strijkijzers, broodrooster en dergelijke vinden en die een temperatuur van 120 °C kunnen verdragen. De konstruktie is overigens zodanig dat een koude steker nooit in een chassis-deel van een warm apparaat past. Omgekeerd is wel mogelijk.

Fig 4
Figuur 4. Zo past de grote maat spoel op de print. Het kleinere type dat ernaast ligt, kan als een normale printkomponent worden gemonteerd.

Helpt het?

Tja, eh... Niets is zo lastig als het testen van een netfilter. Zeker als u er geen merkbare hinder van ondervindt. Dan moet er eigenlijk gemeten worden of er storing is en zo ja, wat voor storing. Een aantal filterfabrikanten doet dat ook voordat een filter wordt geïnstalleerd. Als zelfbouwer kunt u ook de door ons ontworpen spike-detektor gebruiken. Dan kunt u in ieder geval een deel van de storing opsporen. Een hifi-versterker kan soms ook gebruikt worden voor het opsporen van storingen. Als het kraakt en knettert, dan hebt u met zekerheid een vervuild lichtnet.

Uit onze lab-ervaringen en -metingen kunnen we in elk geval konkluderen dat dit filter uitstekend storingen tegenhoudt. En omdat het naar twee kanten werkzaam is, kunt u bijvoorbeeld ook die hardnekkig storende lichtdimmer eindelijk het zwijgen opleggen.