Netfilter; tweezijdige storingsonderdrukker
Zoals iedereen wel weet, staat er op het stopkontakt een sinusvormige spanning van 220 V met een frekwentie van 50 Hz. In de praktijk is deze spanning echter niet altijd mooi sinusvormig. Maar al te vaak blijkt er sprake te zijn van vervuiling met allerlei stoorpulsen, die veroorzaakt worden door het uitschakelen van diverse apparaten; vooral lichtdimmers en koelkasten zijn in dit opzicht berucht. Audio-installaties en computers kunnen hiervan behoorlijk last hebben. Zoveel zelfs dat een netfilter een noodzakelijk kwaad wordt.
Hoe is het mogelijk dat een computer of een audioinstallatie last heeft van netstoringen? Met deze vraag beginnen we, omdat in het antwoord eigenlijk de hele problematiek schuilt waar een netfilter uitkomst voor kan bieden. Laten we allereerst eens gaan kijken naar de voeding die gebruikt wordt. In het algemeen is dit een trafo die gevolgd wordt door een bruggelijkrichter. Zoals u waarschijnlijk wel weet is de uitgangsspanning van deze gelijkrichter nog lang geen nette gelijkspanning en is minimaal een bufferelko noodzakelijk om de spanning recht te trekken. Ook daarna is de spanning voor veel apparaten nog niet vlak genoeg en dient een stabilisator gebruikt te worden om een echt rechte gelijkspanning te verkrijgen.
Maar, zult u zeggen, een dergelijke voeding moet toch in staat zijn om pulsen uit het net weg te filteren? Theoretisch hebt u dan ook wel gelijk, maar de praktijk is helaas anders. Korte pulsen op de netspanning hebben namelijk een vrij hoogfrekwent karakter en het zijn deze hoge frekwenties die roet in het eten gooien. Wat is namelijk het geval. In de eerste plaats de bufferelko: deze mag dan wel in staat zijn om een 50-of 100-Hz-brom te onderdrukken, maar echt hoogfrekwente signalen laat hij gewoon passeren. De oorzaak hiervan is dat een dikke elko niet alleen een kapaciteit heeft, maar ook een bepaalde zelfinduktie. U moet een elko zien als een serieschakeling van een kondensator en een spoel. Hierdoor zal de impedantie (de wissel-spanningsweerstand) van het totaal niet keurig afnemen als de frekwentie hoger wordt. De seriespoel zal er namelijk voor zorgen dat bij een gegeven frekwentie de impedantie juist weer begint toe te nemen en dus de filterende werking van de elko teniet doet.
Ja maar hoe zit dat dan met de stabilisatieschakeling? Ook deze vertoont een zelfde soort effekt. De meeste ontwerpen funktioneren optimaal voor vrij lage rimpelfrekwenties (dus rond 100 Hz).
Vatten we het voorgaande samen, dan kunnen we stellen dat de meeste voedingen alleen een 50- of 100Hz-brom kunnen onderdrukken, maar niet allerlei pulsen met een veel hogere frekwentie. Dit resulteert dan weer in een gelijkspanning waarin alle netpulsen terug zijn te vinden.
Om dit te voorkomen, moet de voeding niet alleen in staat zijn om de laagfrekwente rimpels weg te werken, maar ook allerlei hogere frekwenties. Dus moet er een filter in aanwezig zijn voor snelle pulsvormige signalen.
Meestal is dat ook wel het geval en zo het filter al niet in de voeding zit, dan is er met dit probleem wel rekening gehouden in de schakeling die op de voeding aangesloten wordt. Een voorbeeld hiervan vormen de ontkoppelkondensatoren van enkele tientallen nF's die tussen plus en massa geschakeld zijn (deze dienen eigenlijk om snelle fluktuaties in het stroomverbruik plaatselijk te bufferen, maar voorkomen ook stoorpulsen).
Niettemin kunnen diverse stoorpulsen zo hardnekkig zijn dat ze toch voor de nodige problemen zorgen. Bij audio-installaties zullen deze in de luidspreker hoorbaar zijn als tikken en/of ploppen, terwijl de pulsen bij computers kunnen leiden tot geheugenverlies waardoor een programma om zeep geholpen wordt. In al deze gevallen is een extra filter in de netleiding onontbeerlijk.
Een netfilter kan nog een tweede funktie hebben. Stel u heeft een apparaat dat het net behoorlijk vervuilt.
In dat geval kunt u alle gestoorde apparaten via een netfilter voeden, maar het is natuurlijk veel slimmer om alleen de storingsveroorzaker op een filter aan te sluiten - dus het probleem bij de bron aan te pakken. Daarnaast zijn er ook apparaten die last kunnen hebben van netstoringen en tegelijkertijd op hun beurt ook voor een dosis vervuiling zorgen. Een mooi voorbeeld daarvan zijn computers. Voedt u deze apparaten via een netfilter, dan snijdt het mes aan twee kanten - de computer heeft geen last meer van op het net aanwezige storingen en er kunnen geen signalen vanuit de computer op het lichtnet komen.
Uiteraard moet u bij het voorgaande bedenken dat een netfilter alleen in staat is om korte spanningspieken te onderdrukken. Dus een stroomstoring waarbij de spanning gedurende enkele sekonden uitvalt, zal ook het meest uitgebreide filter niet weg kunnen werken.
Filter voor kleine apparaten
Wie nu denkt dat een netfilter een uitgebreide en dure schakeling is, die heeft het volkomen mis. Zoals u in figuur 1 kunt zien, wordt het werk slechts door een handvol onderdelen verricht. Allereerst komt de ingangsspanning Cl tegen. Deze parallel aan de netaansluiting geschakelde kondensator heeft voor 50 Hz een impedantie van 30 kΩ, zodat er nauwelijks stroom loopt. Voor hogere frekwenties wordt de impedantie echter aanmerkelijk lager, met als gevolg dat deze signalen keurig kortgesloten worden. Ook C2 heeft dezelfde werking, maar helaas zijn beide kondensatoren niet in staat om alle pulsen weg te werken en moeten er nog twee smoorspoelen aan te pas komen. Deze staan in serie met de netaansluiting, omdat een spoel nu eenmaal voor hoge frekwenties een hogere impedantie heeft dan voor lagere frekwenties. Met andere woorden; pulsen met een hoogfrekwent karakter kunnen als het goed is de spoelen niet passeren. Toch blijft er altijd nog het nodige over, waaronder stoorpulsen met een laagfrekwent karakter, die niet door C1 of de beide spoelen onderdrukt worden. Wanneer deze pulsen vrij groot zijn, dan kan er een situatie ontstaan waarbij de totale spanning erg hoog wordt. Immers: het spanningsnivo van de stoorpulsen wordt bij de netspanning opgeteld en daarbij kunnen vrij hoge waarden bereikt worden. Voor het aangesloten apparaat hebben deze spanningspieken meestal geen schadelijke gevolgen, maar ze kunnen natuurlijk wel voor de nodige storingen zorgen. Om nu dergelijke hoge spanningsnivds te voorkomen, is parallel aan de uitgang een varistor of VDR (spanningsafhankelijke weerstand) geschakeld. Wat dit precies voor een onderdeel is, zullen we in een apart gedeelte nader bekijken - voorlopig moet u het even doen met de verklaring dat een VDR een weerstand is waarvan de waarde lager wordt naarmate de spanning hoger wordt en in deze schakeling worden daardoor de spanningspieken kortgesloten. Om te voorkomen dat de stroom door de VDR te hoog wordt, is dit onderdeel, vanuit het net gezien, achter de smoorspoelen opgenomen.
Figuur 1. Met een handvol onderdelen kan een filter gemaakt worden die een groot deel van alle netvervuiling weet weg te werken.
| R1 | 560 KΩ/0,5 W |
| R2 | VDR 250 V bijv. Siemens SIOV S10K250 |
| C1,C2 | 100 nF/630 V |
| L1,L2 | ontstoorspoel 40 µH/2 A |
| kunststoffen netstekerkastje met randaarde | |
Het filter moet ook nog voorkomen dat er stoorpulsen vanuit het aangesloten apparaat richting lichtnet gaan. Deze weg wordt geblokkeerd door C2, R2, de beide smoorspoelen en Cl, waarbij uiteraard hetzelfde verhaal opgaat als voor de stoorpulsen die vanuit het net komen.
Tot slot zijn we nog verplicht om de funktie van Rl te verklaren. Deze weerstand is niet in de schakeling opgenomen om iets weg te filteren, maar heeft tot taak om het filter veilig te maken. Wanneer de schakeling namelijk in gebruik is, zal er op C1 een wisselende lading staan. Dit is op zich vrij normaal, maar wordt het filter uit het stopkontakt getrokken wanneer de kondensator net tot de maximale spanning geladen is en is er op dat moment geen belasting aangesloten, dan blijft deze spanning aanwezig. Aangezien C1 parallel staat aan de netsteker, zal hierover dus een flinke spanning staan. Dit zult u dan ook merken wanneer u de pennen per ongeluk aanraakt - een ervaring die bepaald niet prettig is. Door R1 parallel aan C1 te schakelen, kan de opgeslagen lading keurig wegvloeien, zodat de kondensator na enkele tienden van sekonden zijn lading verloren heeft en het gevaar voor elektrokutie geweken is.
In een stekerkastje
In vergelijking met de meeste Elex-schakelingen hebben we voor het netfilter nu eens geen ontwerp gemaakt hoe u de schakeling op een standaard Elex-print kunt bouwen. De reden daarvoor is dat een Elexprint eigenlijk niet zo geschikt is voor netspanningsdoeleinden. Om namelijk een print aan alle veiligheidseisen te laten voldoen, moeten de afstanden tussen de spanningsvoerende print-sporen minimaal 3 mm zijn, hetgeen bij een Elex-printje alleen opgaat wanneer allerlei koperbanen verwijderd worden. Dit is nogal een lastig karwei en daarvoor is de schakeling eigenlijk wat te simpel. Veel gemakkelijker gaat het wanneer u koperloot experimenteerprint gebruikt (dus print zonder soldeereilandjes of experimenteerprint waarvan een groot deel van de eilandjes met een hete soldeerbout verwijderd zijn). Hoe u op zo'n print de onderdelen moet rangschikken, toont de foto uit figuur 2. Aan de andere kant van de print zijn de aansluitdraden gewoon aan elkaar gesoldeerd, waarbij er op gelet dient te worden dat deze verbindingen stevig zijn en niet zomaar los kunnen gaan. Zorg er voor dat de afstand tussen alle draden minimaal 3 mm bedraagt, hetgeen nogal lastig is voor de beide printkroonsteentjes. Zoals u op de foto kunt zien, hebben wij tweevoudige exemplaren gebruikt. Hiermee is de normafstand net te halen. Gemakkelijker gaat dat met drievoudige printkroonstenen waarvan de middelste aansluiting niet gebruikt wordt.
Figuur 2. Voor het filter hebben we deze keer geen print ontworpen in de zin zoals u dat van ons gewend bent. Het gemakkelijkste kan het filter op een stuk experimenteer-print zonder koper opgebouwd worden, waarbij deze foto van dienst kan zijn.
Wanneer het printje opgebouwd is, kunt u dit in een standaard netstekerkastje monteren. Gebruik hierbij liefst kunststof boutjes en vergeet niet om de randaarde rechstreeks door te lussen.
De komponenten
Aangezien de schakeling verbonden is met de netspanning dienen alle onderdelen hiertegen bestand te zijn. Voor de kondensatoren betekent dit dat ze bestand zijn tegen de spanningspieken en dus een minimale werkspanning van 630 V moeten hebben en bij de spoelen moet u er op letten dat deze een stroom van enkele ampères kunnen verdragen. Gebruik daarom nooit de kleine, op weerstanden lijkende, smoorspoelen. Deze gaan al bij enkele honderden mA in rook op en dat is nu ook weer niet de bedoeling. Voor R1 moet u een exemplaar van minimaal een half watt gebruiken. Niet om dat er teveel vermogen in de weerstand gedissipeerd wordt, maar omdat zo'n weerstand een veel hogere spanning kan verdragen dan een kwart-watt-type. Ook mogen twee 1/4-watt weerstanden van 270 Ω in serie geschakeld worden.
Maximale belasting
Het spreekt voor zich dat het filter alleen bedoeld is voor een netspanning van 220 Veff en dat daarbij de stroom niet te hoog mag worden. Welke stroom er maximaal mag lopen, wordt bepaald door de bedrading waarmee de verschillende komponenten aan elkaar gesoldeerd zijn en door de smoorspoelen. Zoals u in het schema kunt zien, raden wij voor L1 en L2 exemplaren aan die een stroom van 2 A kunnen verdragen, maar deze stroom mag er alleen lopen wanneer de verbindingen hierop berekend zijn. Gebruik daarom zogenaamd VD-draad (het draad dat gebruikt wordt in huisinstallaties) en let daarbij op de kleurkodering. Dus voor de aarde neemt u een stuk geel/groen draad en voor de overige bedrading bijvoorbeeld zwart.
Houdt u zich aan het voorgaande, dan mogen apparaten tot 440 VA op het filter aangesloten worden. Hierbij bedoelt men met de uitdrukking VA het produkt van spanning en stroom. Bij gelijkspanning is dit het vermogen in watt's, maar deze eenheid mag bij wisselspanning niet altijd gebruikt worden. Bij de watt moeten spanning en stroom namelijk in fase zijn, iets dat zeker niet het geval is wanneer de belasting bijvoorbeeld een motor is.
Enkele resultaten
Dat het filter echt een groot deel van de netstoringen weet weg te werken, kunt u zien op de skoopfoto's uit figuur 3. De bovenste lijn is de netspanning, terwijl de onderste de uitgangsspanning van het filter is. Nu moet u niet denken dat bij u thuis het net ook zo vervuild kan zijn. De foto hebben we namelijk gemaakt door een induktieve belasting een groot aantal malen in en uit te schakelen. Toch kunnen er op gezette tijden een of meerdere van dergelijke pulsen op het net voorkomen, maar die haalt het filter er gemakkelijk uit.
Figuur 3. Dat het filter echt de storing "te lijf" gaat, toont deze foto. De bovenste lijn is het vervuilde net, terwijl de onderste de uitgangsspanning van het filter is.