Внешний вид фильтров Б26 производства Гириконд

Керамические помехоподавляющие конденсаторы и фильтры нижних частот АО «НИИ «Гириконд»

Опубликовано в номере:
PDF версия
В статье рассматриваются особенности конструкций, параметры керамических помехоподавляющих конденсаторов и фильтров нижних частот производства АО «НИИ «Гириконд», применяемых для обеспечения электромагнитной совместимости электронного и электротехнического оборудования. Особое внимание уделяется новым опорным конденсаторам К10-85, малогабаритным фильтрам Б27 и Б30 и фильтрам для поверхностного монтажа Б33.

АО «НИИ «Гириконд» является разработчиком и поставщиком помехоподавляющих изделий, используемых в качестве элементной базы для обеспечения требуемой электромагнитной совместимости (ЭМС) радиоэлектронной аппаратуры.

Наиболее опасными среди помех разного рода являются кондуктивные помехи, распространяющиеся в проводящих цепях питания, управления, коммутации, а также в цепях полезных сигналов. Для фильтрации таких помех служат помехоподавляющие фильтры нижних частот (ФНЧ), которые включаются между источником помехи и аппаратурой или участками схемы, которые необходимо защитить от этих помех. Критерием эффективности помехоподавления фильтров служит их основной параметр — вносимое затухание (А) и амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) этого параметра. Крутизна АЧХ, как правило, определяется скоростью увеличения А на декаду частоты — дБ/декаду.

ФНЧ состоят из емкостных (конденсаторы) и индуктивных элементов, соединенных между собой в определенной последовательности (рис. 1).

Электрические схемы ФНЧ

Рис. 1. Электрические схемы ФНЧ: а) С-тип; б) LC-тип; в) π-тип

Приведенные далее АЧХ фильтров были получены с использованием измерителей комплексных коэффициентов передачи типа «Обзор». Эти приборы предназначены для измерения комплексных S‑параметров. Вносимому затуханию соответствует комплексный коэффициент передачи S21, определяемый как отношение напряжения выходного сигнала к напряжению входного сигнала.

АО «НИИ «Гириконд» выпускает керамические помехоподавляющие конденсаторы К10-81 и ФНЧ Б24, Б25, Б26 категорий качества ОТК и ВП; конденсаторы К10-85 и ФНЧ Б27 и Б30 на данный момент выпускаются пока только с приемкой ОТК. В конце 2017 г. планируется завершить разработку фильтров Б33 для поверхностного монтажа.

 

Конденсаторы К10-81

Конструкция конденсаторов К10-81

Рис. 2. Конструкция конденсаторов К10-81

Конструкция конденсаторов приведена на рис. 2. Чередующиеся слои керамического диэлектрика и электродов, отдельные слои которых соединены параллельно, образуют емкость между внутренней и внешней контактными поверхностями. Коаксиальная конструкция и параллельное соединение электродов обеспечивают значения собственной индуктивности ниже, чем у конденсаторов других типов, и большую частоту собственного резонанса. У конденсаторов — высокое вносимое затухание на частотах до 10 ГГц и выше. Конденсаторы монтируются пайкой наружной контактной поверхности к заземленной плоской металлической или металлизированной плате или в ее соответствующие углубления. Сквозь внутреннее отверстие конденсатора пропускается проходной вывод, припаиваемый к внутренней контактной поверхности. Таким образом, конденсатор с припаянным проходным выводом является фильтром С‑типа (рис. 1а) с тремя выводами. В таблице 1 приведены размеры конденсаторов.

Таблица 1. Габаритные размеры К10-81

Типоразмер

Диаметр, мм

Внешний (D)

Внутренний (d)

1

4,0±0,5

1,3±0,3

2

5,0±0,5

1,3±0,3

3

6,3±0,5

1,3±0,3

4

8,0±0,6

1,3±0,3

5

8,0±0,6

2,5±0,3

6

10,0±0,6

1,3±0,3

7

10,0±0,6

2,5±0,3

8

12,0±0,6

1,3±0,3

9

12,0±0,6

2,5±0,3

Конденсаторы представлены широким рядом емкостей в диапазоне 4,7 пФ…10 мкФ, разными группами температурной стабильности (МП0, Н20, Н50 и Н90), а также имеют широкую линейку напряжений: 50, 100, 160, 250, 350, 500, 750 и 1000 В. Максимальные значения проходных токов: 15 А для внутреннего отверстия 1,3 мм, диаметр вывода 1,0 мм; и 25 А для внутреннего отверстия 2,5 мм, диаметр вывода 2,0 мм. Конденсаторы К10-81 используются в качестве емкостных элементов опорных конденсаторов К10-85 и ФНЧ Б25, Б26.

 

Опорные конденсаторы К10–85

Внешний вид конденсаторов К10-85 производствва Гириконд

Рис. 3. Внешний вид конденсаторов К10-85

Для подавления помех, распространяющихся в цепях питания, управления и коммутации, применяются блокировочные конденсаторы, назначение которых состоит в блокировании помехи путем ее замыкания на корпус аппаратуры — «землю». Опорные конденсаторы — это помехоподавляющие конденсаторы, которые конструктивно имеют опорный вывод, обеспечивающий малую индуктивность соединения одного из электродов конденсатора с корпусом аппаратуры.

В 1950‑е гг. НИИ «Гириконд» разработал дисковые керамические опорные конденсаторы КДО и трубчатые опорные конденсаторы КО, которые до последнего времени выпускались заводом «Номинал» на Украине. В связи с прекращением поставок встал вопрос об их замещении. Максимальная номинальная емкость КДО составляет 2200 пФ. Максимальная номинальная емкость конденсаторов КО тоже небольшая — 4700 пФ. Эти конденсаторы не обеспечивают эффективное помехоподавление в области низких частот. С использованием преимуществ конденсаторов К10-81 для замены КДО и КО были разработаны опорные конденсаторы К10-85 [3–4]. Внешний вид конденсаторов показан на рис. 3.

К полому корпусу, выполненному из латуни с серебряным гальваническим покрытием, припаян шайбовый конденсатор (рис. 2). К внутренней контактной поверхности конденсатора припаян проволочный вывод диаметром 1,0 мм. Корпус с резьбой является вторым (опорным) выводом. Таким образом, шайбовые конденсаторы используются не как проходные, а как стандартные конденсаторы с двумя выводами. При этом они сохраняют свои преимущества: имеют большую емкость, малую собственную индуктивность и максимальную частоту собственного резонанса. В отличие от конденсаторов в проходном режиме, АЧХ вносимого затухания конденсаторов К10-85 имеет явно выраженный резонанс (рис. 4).

АЧХ вносимого затухания конденсаторов К10-85 Н20, 0,1 мкФ, 250 В

Рис. 4. АЧХ вносимого затухания конденсаторов К10-85 Н20, 0,1 мкФ, 250 В

Конденсаторы представлены следующими группами температурной стабильности: МП0, Н20 и Н50. Материалы группы Н90 для конденсаторов не использовались из-за большой их нестабильности при воздействии температуры и рабочего напряжения. Номинальные емкости находятся в диапазоне 4,7 пФ…0,33 мкФ. Линейка номинальных напряжений представлена следующими значениями: 250, 500, 750 и 1000 В. Конденсаторы с номинальным напряжением 250 В имеют малогабаритный корпус с резьбой М4 и массой не более 1,5 г.

Значения резонансной частоты и вносимого затухания в зависимости от номинальной емкости приведены в таблице 2. Минимальное значение резонансной частоты составляет 4,4 МГц, максимальное — 1100 МГц при вносимом затухании 30–60 дБ, что значительно расширяет диапазон частот помехоподавления по сравнению с опорными конденсаторами КДО и КО.

Таблица 2. Резонансная частота и вносимое затухание конденсаторов К10-85

Сном

fрез, МГц

Арез, дБ

Вносимое затухание А, дБ, не менее, на частоте f, МГц

0,3

1

5

10

50

100

500

1000

4,7 пФ

1 100

30

3

30

6,8 пФ

850

4

25

10,0 пФ

680

3

10

25

15

15,0 пФ

560

5

15

28

14

22,0 пФ

460

35

7

20

33

12

33,0 пФ

420

3

15

30

10

47,0 пФ

370

3

25

68,0 пФ

290

3

20

100,0 пФ

240

40

5

20

150,0 пФ

200

3

10

26

220,0 пФ

155

7

16

10

330,0 пФ

125

10

35

15

8

470,0 пФ

110

45

3

15

45

12

680,0 пФ

92

5

20

45

1 000 пФ

82

10

20

43

1 500 пФ

69

15

25

35

2 200 пФ

58

3

20

45

30

3 300 пФ

44

5

18

43

28

4 700 пФ

36

10

12

35

22

10

6 800 пФ

30

13

15

25

20

0,01 мкФ

23

3

14

18

28

0,015 мкФ

19

3

15

20

25

0,022 мкФ

15

50

0,5

10

30

35

25

20

10

8

0,033 мкФ

13

2

13

32

48

0,047 мкФ

10,5

5

18

35

50

0,068 мкФ

8,4

9

22

35

48

0,1 мкФ

6,5

55

14,5

25

41

44

20

0,15 мкФ

6,2

16

30

48

43

0,22 мкФ

5,5

60

19

20

55

35

0,33 мкФ

4,4

22

32

58

 

Фильтры Б24

Внешний вид фильтров Б24 производства Гириконд

Рис. 5. Внешний вид фильтров Б24

Емкостным элементом фильтров Б24 и Б24-1 является трубчатый проходной керамический конденсатор. У фильтров Б24-1 (С‑тип) внутренний электрод сплошной. У фильтров Б24 (π-типа) электрод выполнен из двух раздельных изолированных друг от друга поверхностей, образующих два емкостных элемента, емкость каждого из которых равна половине номинальной емкости фильтра. На проходящий через фильтр Б24 внутренний вывод надет ферромагнитный сердечник, создающий вместе с выводом индуктивный элемент. Фильтры выпускаются в трех вариантах исполнения: «а», «б» и «в» (рис. 5). Монтаж фильтров «а» и «б» осуществляется пайкой за корпус, а варианта «в» — при помощи резьбовой втулки М4.

Фильтры представлены следующими группами температурной стабильности: М750, М1500, М2200, М3300, Н30, Н20, Н50, Н70 и Н90. Номинальные емкости находятся в пределах 43–10000 пФ. Изделия рассчитаны на номинальные напряжения 100 и 250 В, обеспечивают вносимое затухание 3–60 дБ (рис. 6). Масса фильтров не превышает 1,5 г, длина корпуса равна 10, 12 мм, диаметр трубки — 2,4 мм, резьба — М4.

Несмотря на хорошие массогабаритные характеристики, фильтры Б24 имеют два недостатка: ограниченный диапазон номинальных емкостей и низкую механическую прочность, т. к. основным элементом конструкции является керамическая трубка.

Пример АЧХ вносимого затухания фильтров Б24 Н90, 100 В, 6800 пФ

Рис. 6. Пример АЧХ вносимого затухания фильтров Б24 Н90, 100 В, 6800 пФ

С 2008 г. в серийном производстве появились фильтры в металлических корпусах Б25-3, Б25-4 (С‑типа) с более широкими диапазонами номинальных напряжений и номинальных емкостей, с разными массогабаритными характеристиками, в т. ч. массой 1,5 г. Позднее, в 2009 г., появилась усовершенствованная серия фильтров Б26, включающая в себя номенклатуру фильтров Б25 и расширяющая ее не только за счет увеличения значений емкостей и напряжений, но и благодаря введению новых конструктивных решений — фильтров LC- и π-типов.

 

Фильтры Б26

Внешний вид фильтров Б26 производства Гириконд

Рис. 7. Внешний вид фильтров Б26

Фильтры Б26 имеют металлический корпус типа «болт» (рис. 7), устойчивы к воздействию механических, климатических и биологических факторов в соответствии с требованиями, предъявляемыми к изделиям категории качества ВП. Фильтры выпускаются трех типов: Б26-1 — С‑типа, Б26-2 — LC-типа и Б26-3 — π-типа. Емкостными элементами фильтров являются конденсаторы К10-81 (рис. 2). В качестве индуктивных элементов в фильтрах Б26-2, Б26-3 используются ферритовые трубчатые сердечники, надетые на проходной вывод. Однако они имеют индукцию насыщения около 0,3 Тл, что ограничивает максимальное значение номинальных токов фильтров 10-15 А. Для фильтров Б26-3 с номинальным током 25 А применяются низкопрофильные дроссельные магнитопроводы серии MSC [5]. Эти изделия при низкой магнитной проницаемости, равной 245, имеют максимальную магнито­движущую силу до 66 А∙виток, т. е. при одном витке (проходной вывод фильтров Б26) номинальный ток может достигать 66 А без снижения. В конструкции фильтра Б26-3 с номинальным током 15 А используются магнитопроводы в сочетании с ферритовыми сердечниками, которые находятся внутри отверстия магнитопровода на проходном выводе. Эта конструкция при малых значениях рабочего тока позволяет полностью использовать преимущество ферритовых сердечников, а при больших значениях — преимущества магнитопроводов.

Фильтры представлены следующими группами температурной стабильности: МП0, Н20, Н50 и Н90. Номинальные емкости находятся в пределах 4,7 пФ…22 мкФ. Линейка номинальных напряжений включает в себя напряжения 32, 50, 100, 160, 250, 350, 500, 750 и 1000 В, а линейка номинальных токов — 10, 15 и 25 А. Вносимое затухание фильтров достигает 85 дБ.

Масса малогабаритных фильтров Б26-1,2 с номинальным током 10 А, резьбой М4 и длиной корпуса 11 мм составляет 1,5 г. Масса остальных фильтров с номинальными токами 15 и 25 А меняется в зависимости от типоразмеров.

Следует заметить, что фильтры Б26–3 (π-типа) обеспечивают наибольшую крутизну АЧХ и максимальные значения вносимого затухания по сравнению с фильтрами С‑ и LC-типов (рис. 8). АЧХ фильтров С‑ и LC-типов довольно близки из-за относительно малых значений индуктивности индуктивных элементов фильтров.

Сравнение частотных характеристик фильтров Б26 C-, LC- , π-типов емкостью 1,0 мкФ

Рис. 8. Сравнение частотных характеристик фильтров Б26 C-, LC- , π-типов емкостью 1,0 мкФ

 Внешний вид фильтров Б27, Б30-1 и Б30-2 производства Гириконд

Рис. 9. Внешний вид фильтров Б27, Б30-1 и Б30-2

Фильтры Б27 и Б30

Для габаритных размеров корпуса фильтра определяющим является диаметр шайбы конденсатора. У фильтров Б26 минимальный диаметр емкостного элемента равен 4,0 мм, что ограничивало размеры указанных фильтров. Зарубежные фирмы производят шайбовые конденсаторы с наружным диаметром 1,25 мм (фирма PA&E) и 2,5 мм (фирмы API Technologies (бывшая компания Spectrum Control), Eurofarad). С использованием таких конденсаторов эти компании выпускают малогабаритные фильтры для монтажа пайкой (eyelet) и с резьбовым выводом. Для их импортозамещения были разработаны шайбовые конденсаторы с наружным диаметром 3,0 мм, а также малогабаритные фильтры Б27 С‑типа для монтажа пайкой [6], Б30-1 С‑типа и Б30-2 π-типа (рис. 9) для монтажа с помощью резьбового вывода [7]. Размеры фильтров Б30 аналогичны размерам фильтров серий 4400 с метрической резьбой М3 (Metric Bushing Filters) компании Tusonix.

Фильтры представлены следующими группами температурной стабильности: МП0, Н20, Н50. Материалы группы Н90 не применялись из-за большой нестабильности параметров при воздействии температуры и рабочего напряжения. Номинальные емкости находятся в диапазоне 100 пФ…22 мкФ. Линейка напряжений включает в себя значения 50, 100, 160 и 250 В.

Максимальное номинальное напряжение фильтров из-за их небольших размеров составляет 250 В, номинальный ток – 10 А. При этом превышение температуры поверхности фильтра над температурой окружающей среды — не более 5 °C. Крепление фильтров Б27 в аппаратуру осуществляется оплавлением низкотемпературной паяльной пасты. Перед этим фильтры обезжиривают этиловым спиртом. Рекомендуемый состав паяльной пасты: олово (массовая доля — 42%) и висмут (массовая доля — 58%). Температура оплавления паяльной пасты — (180±5) °C, время — не более 10 с. Кроме того, допускается пайка с помощью паяльника.

Пример АЧХ вносимого затухания фильтра Б30-1, Н20, 0,1 мкФ, 50 В

Рис. 10. Пример АЧХ вносимого затухания фильтра Б30-1, Н20, 0,1 мкФ, 50 В

На рисунках 10–11 приводятся сравнительные АЧХ фильтров Б30-1 и Б30-2. На рисунке 10 наблюдается рост А с крутизной около 20 дБ/декаду до области появления резонансных спадов. Их резонансная частота увеличивается с уменьшением емкости и связана с частотой собственного резонанса конденсатора. Подобные резонансные спады имеются на всех АЧХ не только разработанных «Гирикондом» фильтров, но и исследованных импортных аналогов. Однако для фильтров всех зарубежных фирм в таблицах со значениями вносимого затухания на разных частотах резонансные спады не учитываются.

Пример АЧХ вносимого затухания фильтра Б30-2, Н20, 0,22 мкФ, 50 В

Рис. 11. Пример АЧХ вносимого затухания фильтра Б30-2, Н20, 0,22 мкФ, 50 В

На АЧХ фильтров Б30-2 π-типа (рис. 11) наблюдаются три следующих характерных участка поведения вносимого затухания:

  • крутизна АЧХ вносимого затухания составляет 20 дБ/декаду, как у фильтров С‑типа. Этот участок заканчивается на частоте (частоте среза), соответствующей резонансной частоте контура из параллельно включенных индуктивности и конденсаторов фильтра;
  • АЧХ вносимого затухания имеет максимальную крутизну (30–40 дБ/декаду), что характерно для фильтров этого типа. Максимальное значение вносимого затухания достигает 105 дБ;
  • наблюдается некоторое снижение значений вносимого затухания.

В таблице 3 приведены гарантируемые техническими условиями значения вносимого затухания фильтров Б30-2 разных номинальных емкостей.

Таблица 3. Вносимое затухание фильтров Б30-2

Номинальная емкость

Вносимое затухание А, дБ, не менее на частоте f, МГц

0,3

1

3

10

30

50

100

300

1000

150; 220 пФ

3

15

20

35

40

330 пФ

4

10

25

40

45

470 пФ

4

12

27

42

48

680 пФ

3

8

15

30

45

50

1 000 пФ

3

4

12

20

32

50

45

1 500 пФ

3

6

15

25

35

52

55

2 200 пФ

4

8

20

32

45

55

3 300 пФ

4

10

28

38

50

60

4 700 пФ

5

23

40

42

60

60

60

6 800 пФ

8

25

45

50

0,01 мкФ

3

9

32

48

60

0,015 мкФ

5

12

35

53

65

65

0,022 мкФ

6

13

38

58

60

60

0,033 мкФ

3

10

18

45

65

70

70

75

70

0,047 мкФ

3

13

21

55

75

0,068 мкФ

5

12

30

65

70

70

65

0,1; 0,15 мкФ

7

15

35

70

75

75

75

75

0,22 мкФ

15

25

50

75

80

80

80

80

75

0,33 мкФ

16

26

55

80

Примечание. Знак «–» означает, что вносимое затухание меньше 2 дБ.

 

Чип-фильтры Б33

 Внешний вид чип-фильтров Б33 производства Гириконд

Рис. 12. Внешний вид чип-фильтров Б33

По завершении разработки фильтров Б33 в 2017 г. электронная компонентная база пополнится первыми отечественными помехоподавляющими чип-фильтрами для поверхностного монтажа С‑типа (рис. 12). Чип-фильтры являются аналогами серии NFM фирмы Murata, а также SMD-чипов таких компаний, как Syfer, API Technologies (бывш. Spectrum Control) и др. Эти фильтры представлены во всех востребованных габаритных размерах: 1,6×0,8 (0603); 2×1,25 (0805); 3,2×1,25 (1205); 3,2×1,6 (1206); 4,5×1,6 (1806); 5,7×5,0 (2220) мм.

За основу конструкции емкостных чип-фильтров принята базовая конструкция многослойного монолитного керамического конденсатора для поверхностного монтажа с чередующимися слоями керамического диэлектрика и металлических электродов. Особенностью конструкции чип-фильтров (рис. 13) является конфигурация внутренних электродов, обеспечивающая создание проходных электродов, которые выходят на торцевые контактные площадки 1–2, и электродов, выходящих на боковую поверхность конденсатора 3. Эти электроды и образуют емкость с проходным электродом (емкость фильтра).

 Конструкция и электрическая схема чип-фильтра

Рис. 13. Конструкция и электрическая схема чип-фильтра

Фильтры представлены следующими группами температурной стабильности: МП0, Н20, Н50. Материалы группы Н90 не использовались из-за большой нестабильности параметров при воздействии температуры и рабочего напряжения. Номинальные емкости находятся в пределах 22 пФ…2,2 мкФ. Линейка напряжений включает в себя значения 16, 25, 50, 100 и 250 В. В отличие от чип-конденсатора, у чип-фильтра имеется еще один параметр — значение номинального тока. Номинальный ток – наибольший допустимый по условиям нагрева проходных электродов ток, при котором фильтры могут работать в течение предусмотренной ТУ наработки. Номинальный ток разработанных чип-фильтров Б33 находится в пределах 0,3–6,0 А.

АЧХ чип-фильтра 3,2×1,6 мм, МП0, 250 В, 0,5 А, 47 пФ

Рис. 14. АЧХ чип-фильтра 3,2×1,6 мм, МП0, 250 В, 0,5 А, 47 пФ

Наиболее важной технической характеристикой чип-фильтра, определяющей эффективность его работы, является вносимое затухание. Разработанные фильтры Б33 обеспечивают величину вносимого затухания до 60 дБ. На рисунках 14–15 показаны АЧХ чип-фильтров малой и большой емкостей разных типономиналов.

АЧХ чип-фильтра 2×1,25 мм, Н20, 16 В, 1,5 А, 0,1 мкФ

Рис. 15. АЧХ чип-фильтра 2×1,25 мм, Н20, 16 В, 1,5 А, 0,1 мкФ

Литература
  1. Пассивные помехоподавляющие фильтры и элементы. Методы измерения вносимого затухания. ГОСТ 13661-92, Комитет стандартизации и метрологии СССР, Москва.
  2.  Method of insertion loss measurement, MILL-STD‑220B.
  3. Патент на полезную модель № 158534. Керамический опорный помехоподавляющий конденсатор. Смирнов В. Ф., Шалаева А. А., Кузьмичев З. В. Приоритет полезной модели. 23 июня 2015.
  4. Конденсаторы керамические помехоподавляющие К10–85. Технические условия АДПК.673511.019 ТУ.
  5. Аморфные магнитомягкие сплавы — mstator.ru.
  6.  Фильтры нижних частот Б27. Технические условия АДПК.673511.005 ТУ.
  7. Фильтры нижних частот Б30. Технические условия АДПК.673511.006 ТУ.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Дополнительный материал