Фильтрующие разъемы Spectrum Control для электромагнитной совместимости радиоэлектронной аппаратуры

Вектор развития радиоэлектронной аппаратуры в целом выбран уже давно и направлен в сторону создания более сложных технических средств и миниатюризации не только электронных компонентов, но и изделий, где эти компоненты применяются. Как следствие, возрастает плотность компоновки и взаимное влияние компонентов, в результате неизбежно возникновение помех, от которых необходимо защитить аппаратуру.

ЭМП распространяются как по проводящим конструкциям и «земле» (кондуктивные помехи), так и через окружающее пространство (индуктивные помехи). Кондуктивные помехи можно разделить на две составляющие: синфазные и дифференциальные. Синфазные помехи можно описать как помехи между проводом и «землей», дифференциальные — как помехи между двумя проводами, ток в которых течет в противоположных направлениях.

С кондуктивными помехами ведут успешную борьбу фильтрующие компоненты API Technologies, в частности, одно из подразделений компании — Spectrum Control. В линейке продукции Spectrum Control представлены следующие компоненты:

• Конденсаторы для сборки фильтров (трубчатые, дискоидальные, планарные решетки) — основной продукт для создания фильтрующих компонентов (рис. 1–3).
  
  

  Рис. 1. Трубчатый конденсатор

  

  Рис. 2. Дискоидальный конденсатор

  

  Рис. 3. Конденсаторы, выполненные в виде планарных решеток

• Чип-фильтры для поверхностного монтажа. Их применение актуально в случае реализации фильтрации непосредственно на плате. Преимущество данных компонентов перед керамическими чип-конденсаторами — наличие центральной «земляной» обкладки чип-фильтра, что дает более высокие значения вносимого затухания. Следует понимать, что добиться максимального эффекта можно только при экранировании радиоэлектронной аппаратуры (рис. 4).
  
  

  Рис. 4. Чип-­фильтры для поверхностного монтажа

• Резьбовые фильтры и фильтры под пайку (герметизированные компаундом и металлостеклянным спаем), фильтры под запрессовку. Это серии фильтров, требующие отдельной статьи, поскольку существует много нюансов в части их характеристик и применения. Наиболее эффективными являются фильтры Pi-типа, герметизированные металлостеклянным спаем. Они имеют лучшие показатели вносимого затухания во всем диапазоне подавления, а также наиболее стойки к агрессивным средам. На рис. 5 показаны резьбовые фильтры для применения в цепях высокого напряжения и тока, на рис. 6 — резьбовые фильтры, герметизированные компаундом, на рис. 7 — миниатюрные фильтры под пайку, герметизированные металлостеклянным спаем, на рис. 8 — резьбовые фильтры, герметизированные металлостеклянным спаем.
  
  

  Рис. 5. Резьбовые сильноточные фильтры

  

  Рис. 6. Резьбовые фильтры, герметизированные компаундом

  

  Рис. 7. Миниатюрные фильтры, герметизированные металлостеклянным спаем

  

  Рис. 8. Резьбовые фильтры, герметизированные металлостеклянным спаем

• Блоки фильтров (рис. 9) нашли широкое применение, устанавливаются в перегородки радиоэлектронной аппаратуры для эффективного устранения электромагнитной помехи и фильтрации помех при передаче сигналов между внутренними отсеками радиоэлектронной аппаратуры. Одно из важных применений блоков фильт­ров — медицина. Компания Spectrum Control была выбрана для разработки и поставки фильтров, которые будут применяться в имплантируемых кардиовертерах-дефибрилляторах, устройствах, спасающих бесчисленное количество жизней. Применение блоков фильтров в связке с планарными и дисковыми конденсаторами защищает устройства от электромагнитных помех внешних источников, таких как смартфоны, и обеспечивает безупречную работу в любое время, даже при наличии сильных электромагнитных помех.
  
  

  Рис. 9. Блоки фильтров

• Сетевые фильтры обеспечивают ослабление помех для импульсов высокого напряжения в одно- и трехфазной электрических сетях.
• Фильтрующие разъемы (цилиндрические и D-SUB) представлены на рис. 10, 11.
  
  

  Рис. 10. Цилиндрический фильтрующий разъем

  

  Рис. 11. Фильтрующий разъем D-SUB

В данной статье особое внимание будет уделено фильтрующим разъемам, ведь их применение имеет ряд преимуществ перед другими решениями по защите от электромагнитных помех:

• В значительной степени или полностью препятствуют прохождению помехи в радиоэлектронную аппаратуру.
• Сокращают процесс сборки и контрольных операций радиоэлектронной аппаратуры.
• Уменьшают пространство и вес радиоэлектронной аппаратуры (значительно сокращается количество компонентов на плате, которые устанавливают после стандартных, не фильтрующих разъемов, для защиты от электромагнитных помех). На рис. 12 показана ситуация, когда применены стандартный разъем D-SUB и фильтрация на плате. На рис. 13 — ситуация, где применен фильтрующий разъем D-SUB.
  
  

  Рис. 12. Реализация фильтрации на плате

  

  Рис. 13. Реализация фильтрации с помощью фильтрующего разъема D-SUB

• Низкое переходное сопротивление (полноценное основание и металлический корпус обеспечивают превосходное переходное сопротивление, что дает качественные результаты на высоких частотах).
• Гибкость и взаимозаменяемость (в том случае, если установлены стандартные, не фильтрующие разъемы, их легко заменить фильтрующими).

Spectrum Control располагает широким спектром фильтрующих разъемов D-SUB. Наиболее востребованными являются фильтрующие разъемы D-SUB серии 700, которую сам производитель характеризует как High Performance (высокоэффективная), — рис. 14.

Рис. 14. Высокоэффективные фильтрующие разъемы D-SUB, серия 700

Конструктивно фильтрующие разъемы D-SUB представляют собой стандартный D-SUB-разъем (количество контактов — 9, 15, 25, 37, 50), имеющий металлический корпус. Внутри металлического корпуса располагаются фильтры Pi- и C-типа.

Фильтрующие цилиндрические соединители — еще один вариант передачи сигнала через разъем с фильтром. Все преимущества, которые были перечислены для разъемов D-SUB, актуальны и для цилиндрических разъемов (рис. 15).

Рис. 15. Цилиндрический фильтрующий разъем:
а) в разборе;
б) в сборе

В основном фильтрующие разъемы D-SUB и цилиндрические разъемы используются для установки на корпус радиоэлектронной аппаратуры, для коммутации и фильтрации информационных линий. Реже данные разъемы устанавливают в перегородки внутри радиоэлектронной аппаратуры.

Фильтрующие соединители эффективно подавляют помехи на частотах до 18 ГГц в телекоммуникационном и авиационном оборудовании, средствах связи, системах распределения мощности, источниках питания.

Рис. 16. Пример номера для заказа фильтрующего разъема D-SUB и его габаритные размеры

Существуют следующие основные шаги для правильного выбора фильтрующего разъема D-SUB:

• Выбор фильтрующего компонента (таблица):
  • оцените показания минимального вносимого затухания фильтра на частотах 5 МГц — 1 ГГц;
  • оцените частоту среза фильтра, чтобы не повлиять на полезный сигнал;
  • оцените, насколько актуален тип схемы, Pi- и C-тип;
  • запишите буквенный код фильтра.
• Выбор разъема (рис. 16):
  • выберите количество контактов — 9, 15, 25, 37, 50 (в примере выбран 15-контактный разъем);
  • выберите тип вывода разъема (вилка или розетка с одной стороны, хвостовик, прямой или формованный штырь с другой стороны);
  • выберите номер для заказа разъема. Для этого используйте буквенный код, который был записан на этапе выбора фильтрующего компонента.
• Выбор дополнительных опций:
  • отверстия с резьбой UNC 4-40;
  • отверстия с метрической резьбой М3;
  • покрытие золотом и др.

Для того чтобы исключить прохождение индуктивной помехи, в месте стыка разъема D-SUB и корпуса радиоэлектронной аппаратуры используют экранирующие прокладки. Данные прокладки также используют в местах стыка корпуса и крышки радиоэлектронной аппаратуры (рис. 17, 18).

Рис. 17. Экранирующие прокладки для разъемов D-SUB

Рис. 18. Примеры установки экранирующих прокладок

У компании Spectrum Control отсутствует каталог для цилиндрических фильтрующих разъемов, поскольку каждое решение индивидуально и изготавливается под нужды потребителя.

Основные характеристики:

• Тип схемы: С/Pi/LC.
• Количество контактов: 3–128.
• Емкость: 250 пФ — 1 мкФ.
• Рабочее напряжение: до 200 В.
• Номинальный ток: 3 А.
• Вносимое затухание: не менее 70 дБ на частоте 1 ГГц.
• Частота среза согласовывается с потребителем.

Данные решения высокоэффективны в борьбе с электромагнитными помехами. Отечественные производители также представлены на рынке фильтрующих компонентов. Однако их продукция имеет ряд существенных недостатков по сравнению с разъемами Spectrum Control, например:

• низкое вносимое затухание на высоких частотах, не позволяющее полноценно соответствовать нормам по электромагнитной совместимости;
• большие габаритные размеры;
• достаточно скудный ряд электрической емкости, что снижает возможность применения фильтрующих разъемов в ряде радиоэлектронной аппаратуры.

Сегодня отрасли телекоммуникации, авиации и космоса по-прежнему нуждаются в решениях, реализованных в виде фильтрующих разъемов и соединителей. При этом отечественных производителей данных решений можно пересчитать по пальцам одной руки. Это связано с достаточно сложным циклом изготовления фильтрующих разъемов. Первая трудность — практически полное отсутствие производителей керамических конденсаторов — сердца фильтрующих разъемов. Вторая трудность — отсутствие стандартного решения для реализации нового проекта. Это связано с тем, что каждый вид оборудования рассчитан на разный спектр частот, количество линий передачи информации, типы используемых разъемов для коммутации. В связи с этим возрастают сроки изготовления фильтрующих разъемов, и практически все запросы на изготовление новых фильтрующих разъемов начинаются с процесса разработки новых решений под требования клиента.