Керамические проходные фильтры для предотвращения электромагнитной интерференции

Опубликовано в номере:
PDF версия
Прием и передача сигналов в РЧ- и СВЧ-диапазонах являются важной функцией, поскольку большинство современных электронных устройств осуществляют беспроводную передачу данных. В статье рассматривается применение керамических проходных фильтров для предотвращения электромагнитной интерференции.

Обмен РЧ- и СВЧ-сигналами между электронными устройствами является одной из фундаментальных функций современных устройств. Энергию передачи характеризуют с помощью электромагнитного излучения.

Излучение этого типа непрерывно присутствует в диапазоне 3 кГц—300 ГГц.

При обработке РЧ-сигналов в электронных устройствах могут возникнуть нежелательные эффекты из-за взаимодействия с этим постоянно присутствующим излучением. Такой эффект называется электромагнитными помехами (ЭМП).

ЭМП являются серьезной проблемой для устройств, питающихся от внешнего источника или требующих подключения других внешних устройств, к которым относятся датчики или устройства ввода–вывода. Дело в том, что провода, подключаемые к линии питания, и линии ввода–вывода могут работать как антенны, принимающие посторонние ЭМП. Проникая внутрь устройства, это излучение может вызвать сбои в работе или неправильное функционирование.

Наиболее распространенным способом предотвращения взаимодействия с внешними ЭМП является использование проходных фильтров в сигнальных линиях и линиях питания.

 

Проходные фильтры

Проходной фильтр представляет собой емкостной элемент, через центр которого проходит проводник.

Конденсаторы являются реактивными компонентами, т. е. они по-разному проводят электрическую энергию в зависимости от частоты сигнала. На очень высоких частотах конденсаторы выступают в роли короткого замыкания, т. е. свободно пропускают через себя сигнал. На очень низких частотах они не пропускают энергию (разрыв линии).

Поскольку конденсаторы устанавливаются на центральном проводнике, проходящем через корпус внутрь устройства, их часто называют фильтром низких частот (ФНЧ). Они пропускают низкие частоты с малыми потерями, шунтируя высокие частоты.

Проходные фильтры построены с использованием диэлектрического материала, имеющего круглую форму тора или полого цилиндра (рис. 1). Эти формы позволяют пропускать центральный проводник сквозь себя и присоединяться к ним в центре. Так формируется контакт «+». Внешний диаметр конструкции представляет собой отрицательный контакт («–») емкостного элемента, который обычно подключен к точке заземления устройства.

Цилиндрическая форма позволяет проводнику проходить через фильтр и надежно закрепить его в центре

Рис. 1. Цилиндрическая форма позволяет проводнику проходить через фильтр и надежно закрепить его в центре

Наиболее распространенным диэлектрическим материалом является керамика (рис. 2), т. к. у нее сравнительно высокая диэлектрическая проницаемость и большое рабочее напряжение.

Внешний вид керамических проходных фильтров

Рис. 2. Внешний вид керамических проходных фильтров

 

Керамические проходные фильтры

При выборе ФНЧ для защиты от ЭМП следует руководствоваться несколькими базовыми требованиями. К ним относятся:

  • частота отсечки;
  • вносимые потери;
  • требования по питанию.

При работе проходного фильтра используются два набора частот. К первому из них относятся частоты, используемые внутри устройства, в т. ч. частота переключения в диапазоне от нескольких Гц до более чем 2 МГц. Второй набор включает частоты, которые могут спровоцировать нежелательную работу устройства, если оно подвержено воздействию ЭМП. Как правило, частоты помехи выше частоты работы устройства.

 

Частота отсечки

На частоте среза фильтр начинает ослаблять нежелательные помехи. Она определяется как частота, на которой фильтр удаляет половину уровня излучаемой энергии, т. е. на уровне 3 дБ. В этом случае говорят, что вносимые потери составляют 3 дБ.

Частота среза должна быть выше рабочей частоты устройства и достаточно низкой, чтобы исключить как можно в большей степени высокие частоты. На рис. 3 показано устройство с максимальной рабочей частотой 300 кГц (зеленый прямоугольник). Внутри этого частотного диапазона все линии ввода–вывода должны работать с минимальными потерями сигнала. Красным прямоугольником обозначены частоты, на которых могут появляться помехи от ЭМП. Частота отсечки установлена на 1 МГц.

Частота отсечки должна быть выше рабочей частоты устройства

Рис. 3. Частота отсечки должна быть выше рабочей частоты устройства

 

Вносимые потери

Понятие «вносимые потери» определяет способность фильтра осуществлять свою функцию на заданной частоте. Для определения характеристик проходных фильтров применяется международный стандарт MIL-STD‑220. Поскольку не все схемы имеют одинаковый входной и выходной импедансы, в стандарте принята нормировка на уровне 50 Ом.

При тестировании в соответствии со стандартом составляют частотную зависимость вносимых потерь. Как правило, она имеет логарифмический масштаб. Единицей измерения вносимых потерь является децибел (дБ):

вносимая потеря = 10lg (РOUT/PIN),

где РOUT — уровень выходной мощности фильтра; PIN — входная мощность фильтра.

На каждые 3 дБ вносимых потерь приходится потеря 50% мощности, проходящей через фильтр на заданной частоте.

Типичное значение вносимых потерь в проходных фильтрах составляет 40 дБ и более на частоте 100 МГц. При 40 дБ фильтр удаляет 99,99% энергии радиосигнала.

 

Требования по электропитанию

Следующим базовым критерием при выборе проходного фильтра являются требования по электропитанию (напряжение и ток). Проходной фильтр должен работать во всем диапазоне входного напряжения питания и во всем диапазоне входных сигналов.

Центральный проводник должен быть достаточно большим, чтобы поддерживать уровень тока, требуемый устройством. Большинство центральных проводников изготовлено из меди. При разработке следует воспользоваться стандартными таблицами для выбора силы тока.

 

Типы схем

Известны проходные фильтры трех типов: C, L и π. Все они могут изготавливаться в виде диска или полого цилиндра из диэлектрика.

Выбор типа фильтра зависит от требований к вносимым потерям (рис. 4). Во‑первых, следует установить заданную частоту отсечки, затем определить оптимальные количество вносимых потерь.

Выбор типа фильтра зависит от требований к вносимым потерям

Рис. 4. Выбор типа фильтра зависит от требований к вносимым потерям

Частота отсечки проходных фильтров в целом определяется общей емкостью фильтра. В таблице 1 представлены типовые значения емкости при разных частотах отсечки.

Таблица 1. Типичные значения емкости при разных частотах отсечки

Емкость, пФ

Тип диэлектрика

Частота отсечки

тор

диск

100

есть

есть

50 МГц

1000

есть

есть

5 МГц

5000

есть

есть

700 кГц

10000

есть

есть

500 кГц

50000

нет

есть

70 кГц

100000

нет

есть

50 кГц

1000000

нет

есть

3 кГц

Схема типа С состоит из проходного конденсатора, установленного на центральный проводник (рис. 5). Схемы этого типа позволяют уменьшить вносимые потери выше частоты отсечки примерно на 20 дБ на декаду. Однако, как и в случае конденсаторов других типов, в точке авторезонанса угол наклона меняется. Кроме того, на определенной частоте способность фильтра обеспечить дополнительные вносимые потери ограничена. Типовое значение максимальных потерь схем всех типов равно –70 дБ.

Схемы C состоят из одиночного проходного конденсатора, установленного на центральный проводник

Рис. 5. Схемы C состоят из одиночного проходного конденсатора, установленного на центральный проводник

В схемах L используются дополнительные индуктивные элементы, которых нет в схемах С (рис. 6): катушка индуктивности или ферритовый фильтр (в виде утолщения на проводе).

В схемах L имеются дополнительные дроссели

Рис. 6. В схемах L имеются дополнительные дроссели

За счет добавления этих элементов частота отсечки остается прежней, но наклон вносимых потерь увеличивается еще на 20 дБ на декаду. Авторезонанс остается на прежней частоте, как и в схеме С. Амплитуда резонансного сигнала уменьшается.

Схема π представляет собой две схемы C, разделенные индуктивным элементом (рис. 7). При добавлении этого третьего элемента частота отсечки не меняется, но наклон вносимых потерь увеличивается на 20 дБ на декаду по сравнению со схемой L, в итоге достигая 60 дБ на декаду. Фильтры этого типа сводят к минимуму влияние саморезонанса на вносимые потери (рис. 8). При использовании диэлектрика в форме диска схемы этого типа изготавливается из трех отдельных компонентов.

Схема типа π представляет собой две схемы типа C, разделенные индуктивными элементами

Рис. 7. Схема типа π представляет собой две схемы типа C, разделенные индуктивными элементами

Сравнение частотной зависимости вносимых потерь схем разных типов

Рис. 8. Сравнение частотной зависимости вносимых потерь схем разных типов

В случае диэлектрика тороидальной формы используются всего два компонента, причем оба конденсатора изготавливаются на одной диэлектрической подложке.

 

Корпус

Керамические проходные фильтры выпускаются в разных корпусах в зависимости от нужд приложений, в которых требуется обеспечить защиту одной или же нескольких линий от ЭМП.

Одиночные фильтры устанавливаются в корпус устройства припаиванием или с помощью креплений в соответствующие отверстия. Внутри, между секциями устройства, применяются те же методы установки. В таблице 2 представлены основные параметры одиночных проходных фильтров.

Таблица 2. Параметры одиночных проходных фильтров

Тип фильтра

Емкость (макс.), пФ

Рабочее напряжение, В DC

Допустимый ток, А

Тип схемы

Примечание

под поверхностный монтаж

8200

100

20

С

 

 

4000

100

10

π

 

крепление пайкой

50000

100

7

С, L

имеются герметики

монтаж запрессовкой

50000

100

7

С

 

с резьбовым монтажом

4000

200

1

С

шаг № 0

50000

50

10

С, L

шаги №№ 2–4

100000

100–1500

до 25

С, L, π

шаг № 8 – 1/4 дюйма; имеются герметики

5000

2500

до 200

С, L, π

5/16–5/8 дюйма

На рис. 9–12 показаны разные варианты корпусов проходных фильтров. В таблице 3 указаны значения емкости, рабочего напряжения, тока и типы схем фильтров для фильтрации помех в нескольких линиях ввода–вывода или линиях питания. Для крепления применяются разъемы, показанные на рис. 13–15.

Максимальная емкость паяемых фильтров равна 50000 пФ

Рис. 9. Максимальная емкость паяемых фильтров равна 50000 пФ

Максимальная емкость фильтров, устанавливаемых с помощью запрессовки, составляет 50000 пФ

Рис. 10. Максимальная емкость фильтров, устанавливаемых с помощью запрессовки, составляет 50000 пФ

Максимальная емкость фильтров с резьбой зависит от рабочего напряжения, допустимой мощности и типа схемы

Рис. 11. Максимальная емкость фильтров с резьбой зависит от рабочего напряжения, допустимой мощности и типа схемы

Максимальная емкость зависит от типа фильтра

Рис. 12. Максимальная емкость зависит от типа фильтра

Сборные фильтры для фильтрации нескольких линий ввода—вывода или питания

Рис. 13. Сборные фильтры для фильтрации нескольких линий ввода—вывода или питания

Максимальная емкость фильтров с круглым соединением составляет 50000 пФ

Рис. 14. Максимальная емкость фильтров с круглым соединением составляет 50000 пФ

Максимальная емкость фильтров с разъемом D-sub равна 50000 пФ

Рис. 15. Максимальная емкость фильтров с разъемом D-sub равна 50000 пФ

Таблица 3. Характеристики фильтров для приложений с несколькими линиями

Тип разъема

Емкость (макс.), пФ

Рабочее напряжение, В DC

Допустимый ток, А

Тип схемы

Примечание

клеммная панель

30000

300

30

С

2–8 позиций

5000

300

30

L, π

 

D-sub

50000

200

5

С, L, π

9, 15, 25, 37 и 50 выводов

круглый

50000

200

15

С, L, π

 

пластина–держатель

5000

100–500

5–25

С, L, π

шаг № 0

50000

50

10

С, L

шаги №№ 2–4

Между секциями устройства используются сборки, показанные на рис. 16. Они изготавливаются в нескольких стандартных размерах.

Максимальная емкость пластин с фильтрами равна 30000 или 5000 пФ

Рис. 16. Максимальная емкость пластин с фильтрами равна 30000 или 5000 пФ

Добавить комментарий

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