ПОМЕХОПОДАВЛЯЮЩИЙ ФИЛЬТР

Изобретение относится к электротехнике и электронике и может быть использовано для подавления высокочастотных и импульсных помех в электрических цепях.

Для подавления помех в электрических цепях широко применяются помехоподавляющие дроссели. Они ограничивают помехи за счет внесения в защищаемую цепь в частотном диапазоне помех большого последовательного импеданса. Известен дроссель [J.W. van Dijk. EMC. Electromagnetic Compatibility. Saxion, Version 1.2, April 2010], представляющий собой тороидальный ферромагнитный сердечник прямоугольного поперечного сечения с нанесенными на него одной или несколькими обмотками. Вышеуказанное устройство является наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству и поэтому выбрано в качестве прототипа.

Недостатком прототипа является узкий частотный диапазон подавляемых помех из-за влияния паразитной проходной емкости дросселя. Типичные частотные зависимости импеданса дросселя при различных количествах витков приведены на фиг. 5 [J. Brown. New Understandings of the Use of Ferrites in the Prevention and Suppression of RF Interference to Audio Systems. 119th AES Convention in New York, October 2005]. Как следует из представленных графиков, зависимости имеют вид, характерный для параллельного резонансного контура, и функциональные ограничения прототипа проявляются по мере роста частоты выше резонансной, определяемой формулой

где L_dr - индуктивность дросселя; C_ch - паразитная проходная емкость дросселя.

Для помехоподавления главной задачей является максимизация импеданса дросселя. Если исходить из свойств идеального дросселя, то для его увеличения необходимо увеличивать число витков в дросселе с тем, чтобы получить большее значение индуктивности. Однако при этом уменьшается резонансная частота дросселя. Это уменьшение обусловлено как ростом индуктивности, так и ростом паразитной проходной емкости при увеличении числа витков в дросселе.

Следовательно, прототип является эффективным средством защиты только при относительно узком диапазоне частот (верхняя граничная частота защищаемого диапазона лежит в области первого параллельного резонанса). На более высоких частотах из-за паразитной емкости защитные свойства дросселя практически отсутствуют (или незначительны). При попытке улучшить защитные свойства дросселя за счет увеличения количества витков происходит сужение его рабочего диапазона частот.

Решаемой технической задачей является создание помехоподавляющего фильтра с расширенной областью применения.

Достигаемый технический результат заключается в расширении частотного диапазона и улучшения качества подавления помех.

Для достижения технического результата в помехоподавляющем фильтре, содержащем дроссель, состоящий из тороидального ферромагнитного сердечника с нанесенными на него одной или несколькими обмотками, новым является то, что дополнительно введен электростатический экран в виде тороидальной металлической оболочки прямоугольного поперечного сечения с кольцевой сквозной прорезью, внутри которого расположен ферромагнитный сердечник, при этом обмотки дросселя нанесены на электростатический экран, который соединен механически и электрически с корпусом фильтра или защищаемого устройства.

Возможные варианты конструктивного выполнения предлагаемого фильтра поясняются чертежами фиг. 1 и 2. Помехоподавляющий фильтр содержит дроссель, состоящий из тороидального ферромагнитного сердечника 1 с нанесенными на него одной или несколькими обмотками 2, электростатический экран 3 в виде тороидальной металлической оболочки прямоугольного поперечного сечения с кольцевой сквозной прорезью 4, внутри которого расположен ферромагнитный сердечник 1, при этом обмотки дросселя 2 нанесены на электростатический экран 3, который соединен механически и электрически с корпусом фильтра или защищаемого устройства 5.

Высокий последовательный импеданс обмоток, обеспечиваемый ферромагнитным сердечником, расположенным внутри электростатического фильтра, препятствует протеканию по ним токов помех.

Введение электростатического экрана 3 в виде тороидальной металлической оболочки прямоугольного поперечного сечения с кольцевой сквозной прорезью и нанесение обмоток дросселя на электростатический экран, который соединен механически и электрически с корпусом фильтра или защищаемого устройства, приводит к тому, что, во-первых, за счет влияния электростатического экрана 3 устраняются паразитные проходные емкости обмоток 2, а во-вторых, за счет наличия конструктивной емкости обмоток на электростатический экран 3, имеющий электрическую связь с корпусом защищаемого устройства, токи помех через эту емкость стекают на корпус защищаемого устройства.

Таким образом, новая совокупность существенных признаков обеспечивает достижение технического результата, а именно улучшения качества фильтрации и расширении рабочего диапазона частот.

Заявляемый помехоподавляющий фильтр работает следующим образом. Для реализации своей защитной функции, фильтр автономно или в составе помехоподавляющего фильтра более высокого порядка, устанавливается на входе защищаемого устройства, а его обмотки включаются в разрыв электрических цепей, в которых необходимо подавлять помехи. Высокий последовательный импеданс обмоток, обеспечиваемый наличием ферромагнитного сердечника, препятствует протеканию по ним токов помех, а конструктивная емкость обмоток на электростатический экран, имеющий электрическую связь с корпусом защищаемого устройства, способствует стеканию помех на корпус защищаемого устройства.

Наличие конструктивной емкости обмоток на электростатический экран переводит дроссель в новое качество - он становится системой с распределенными параметрами, и для описания его работы следует использовать уравнения длинной линии, связывающие напряжение и ток в начале обмотки (U_in, I_in) с напряжением и током в конце (U_out, I_out) обмотки

где Z_dr, Y_dr - погонный продольный импеданс и погонный поперечный адмитанс обмотки, соответственно; - постоянная распространения обмотки; - волновое сопротивление обмотки; l_w - длина обмотки.

Из уравнений длинной линии следует, что коэффициент затухания, вносимого фильтром, при чисто активном сопротивлении источника и нагрузки, равном Z₀, равен

Продольный погонный импеданс может быть вычислен по формуле

где f - частота; µ′ - действительная компонента магнитной проницаемости; µ′′ - мнимая компонента магнитной проницаемости; - индуктивность эквивалентного по размерам воздушного сердечника; D_dr, d_dr - внешний и внутренний диаметры ферритового сердечника; w - число витков в дросселе, h - высота сердечника.

Погонный поперечный адмитанс обмотки можно найти по формуле

где C_dr - погонная конструктивная емкость обмотки.

Для однослойной обмотки погонную конструктивную емкость можно оценить по формуле

где Δ_w - размер изоляционного зазора между проводом обмотки и экраном;

d_w - диаметр провода обмотки, е - диэлектрическая проницаемость изоляции между проводом обмотки и экраном.

В прототипе, расчетная модель которого представляет собой параллельный колебательный контур, коэффициент затухания равен

Рассмотрим пример реализации предлагаемого технического решения, представленного на фиг. 1, где в качестве сердечника использован кольцевой сердечник K16×8×6 из никель-цинкового феррита с начальной магнитной проницаемостью 1000. Однослойная обмотка выполнена проводом МС16-13 сечением 0,2 мм²; количество витков 20. Размер изоляционного зазора между проводом обмотки и экраном Δ_w=0,2 мм. Длина обмотки на сердечнике l_w=20 мм.

Частотные зависимости компонент магнитной проницаемости для этого феррита по данным производителя [С.U. Parker. EMC Components. Specifying a Ferrite for EMI Suppression. Fair-Rite Products, Conformity JUNE 2008] приведены на фиг. 5.

Результаты расчетов вносимого затухания для дросселя, выполненного в соответствии с предлагаемым техническим решением, при Z₀=50 Ом приведены на фиг. 6 (кривая а). Там же приведена расчетная зависимость вносимого затухания для прототипа (кривая б) с тем же количеством витков и с тем же сердечником при величине паразитной проходной емкости C_hc=10 пФ.

Как показывают приведенные расчеты, на частотах выше ≈3 МГц вносимое затухание в дросселе, выполненном согласно предлагаемому техническому решению, становится выше, чем у прототипа и дальше растет с частотой. В прототипе после резонансной частоты (≈1,5 МГц) вносимое затухание монотонно падает. Различие вносимого затухания в пользу предлагаемого решения достигает:

≈30 дБ - на частоте 10 МГц;

>190 дБ - на частоте 100 МГц и выше.

Таким образом, новая совокупность существенных признаков обеспечивает достижение технического результата, а именно улучшения качества фильтрации и расширении рабочего диапазона частот.