4.2.2. Фильтровые элементы

Основными составными элементами фильтров являются ка­тушки индуктивности и конденсаторы. Они могут использо­ваться для подавления помех отдельно или в комбинации друг с другом (см. табл. 4.2). Рисунки 4.6 и 4.7 дают общие пред­ставления о важнейших видах исполнения фильтров. Фильтро­вые элементы представляют собой в зависимости от номиналь­ного напряжения и пропускной способности по току приборы для монтажа в помещениях, компактные элементы, встраивае­мые в шкафы, приборы, в разъемы или чип-элементы для мон­тажа на печатных платах.

Рис. 4.6. Примеры выполнения помехоза­щитных конденсаторов:

а - конденсатор с двумя выводами; б - конденсатор-ввод с тремя выводами; в - конденсатор-четырехполюсник; г - много­элементный конденсатор

Рис. 4.7. Примеры выполнения помехоза­щитных катушек с рабочим током , и синфазным током помехи:

а - стержневая катушка; б - простей­шая катушка с кольцевым сердечником; в - кольцевая катушка с двумя встречны­ми обмотками и компенсацией магнит­ного потока, создаваемого рабочим током ; г - ферритовые кольца; д - ферритовые сердечники для плоских жгутов; е - линии с повышенным затуханием, с охва­тывающей оболочкой из материала с вы­соким затуханием; ж - ферритовые плас­тины со многими отверстиями для ште­керных соединений и интегральных схем

Двухполюсные конденсаторы (рис. 4.6, а) в зависимости oт соединения их в токовую цепь (между прямым и обратным проводами или же между проводом и землей) пригодны для защиты как от синфазных, так и от противофазных помех (рис. 4.8, б). Конденсаторы-вводы (рис. 4.6, б) при соединении с корпусом служат для защиты только от синфазных помех (рис. 4.8, б). Конденсаторы-четырехполюсники (рис. 4.6, в) защищают от противофазных помех (рис. 4.8, в), а многосекционные конденсаторы (рис. 4.6, г) - как от противофазных, так и синфазных помех (рис. 4.8, г).

Рис. 4.8. Защита катушками индуктивности и конденсаторами от синфазных и противофазных токов помех (пояснения см. в тексте):

Q₁, Q₂ - источники противофазных I_d и синфазных I_c токов помех; С_Е - паразитные емкости участка схемы относительно заземленного корпуса.

Защитные катушки индуктивности представляют собой катушки с возможно малыми емкостью и активным сопротивлением обмотки. Они имеют замкнутые или разомкнутые сердечники (стержни, кольца из ферромагнитного материала - трансформаторной стали, металлооксидной керамики, прессованно­го порошка из карбонильного железа). Катушки индуктив­ности со стержневым или простым кольцевым сердечником (рис. 4.7, а, б) демпфируют как синфазные, так и противофаз­ные сигналы (рис. 4.8, д).

Так как в катушках индуктивности с сердечниками магнит­ная цепь не замкнута, то их магнитная проницаемость и ин­дуктивность практически не зависят от рабочего тока. Впрочем, при больших токах габаритные размеры таких катушек индук­тивности велики. Меньшие размеры имеют катушки индуктив­ности со скомпенсированным магнитным полем или током (рис. 4.7, в), в которых магнитное поле, создаваемое рабочим то­ком I_b, компенсируется благодаря встречному включению об­моток. Такие катушки индуктивности демпфируют лишь син­фазные токи 1_с (рис. 4.8, е). Это же относится к ферритовым кольцам (рис. 4.7, г), одеваемым на провода или на плоские жгу­ты (рис. 4.7, д), к линиям с усиленным затуханием (рис. 4.7, е), имеющим, в частности, при частотах f>1 МГц хорошие показа­тели затухания, к ферритовым пластинам со многими отверс­тиями (рис.45.7, ж), применяемым в разъемах и внутренних соединениях.

При использовании катушек индуктивности и конденсаторов для фильтрации следует иметь в виду, что любой конденсатор наряду с емкостью С обладает паразитной индуктивностью L_p, зависящей от длины выводов конденсатора. Она особенно ве­лика у двухполюсных конденсаторов и мала у коаксиальных конденсаторов-вводов. Каждая катушка индуктивности в дополнение к ее индуктивности L имеет паразитную емкость С. Поэтому для кажущегося сопротивления существует зависи­мость от частоты, представленная на рис. 5.9, обладающая peзонансной точкой, в отличие от

Рис. 4.9. Частотные зависимости кажущихся сопротивлений конденсатора (а) и катушки индуктивности (б)

идеальной характеристики. Сведения о собственных резонансных частотах конденсаторов, применяемых для подавления помех, приведены на рис. 4.10. Пренебрегая активной составляющей, можно для зависимос­тей на рис. 4.9 использовать следующие выражения.

Для конденсаторов (рис. 4.9, а) кажущееся сопротивление

(4.12)

Идеальная характеристика при отсутствии L_p рассчитывается как

. (4.13)

Реальная характеристика с учетом L_p:

(4.14)

где .

Для катушек индуктивности (рис. 4.9, б) кажущееся сопро­тивление

(4.15)

идеальная характеристика при отсутствии С_р

; (4.16)

реальная характеристика с учетом С_р

. (4.17)

Здесь .

В дополнение к сказанному определим коэффициент затухания, дБ, фильтра - поперечного конденсатора (например, С_Х на рис. 4.8, а), обладающего индуктивностью, в режиме согласования ().

При из (4.11)

. (4.18)

При кажущемся сопротивлении конденсатора и для резонансной частоты коэффициент затухания

. (4.19)

Для частот, отличающихся от , можно использовать сле­дующие приближения:

- при и

; (4.20)

- при и

. (4.21)

На рис. 4.11 показаны прямые, рассчитанные по (4.20) и (4.21) для определенного значения Z_A, а также зависимость коэффи­циента затухания а_в от частоты при различных С и L_p. Уравнения (4.19)-(4.21) совместно с рис. 4.11 показывают, что при задан­ной емкости С коэффициент затухания а_е тем выше, чем боль­ше Z_A и меньше паразитная индуктивность конденсатора L_p.

Отсюда можно сделать два вывода:

-не каждый имеющийся в распоряжении конденсатор можно использовать в качестве помехоподавляющего;

-емкостный фильтр предпочтителен, если имеют место высо­кие сопротивления источника и приемника помех (см. табл. 4.2).

Коэффициент затухания фильтра любой другой структуры можно таким же образом приближенно или точно рассчитать. Рисунок 4.12, б дает представление о затухании LC-фильтра с реальными элементами (рис. 4.12, а); в зависимости от диапазо­на частот коэффициент затухания определяется параметрами фильтра L, С или паразитными параметрами L_p, C_p. При низких частотах, когда элементы фильтра можно считать идеальны­ми, коэффициент затухания а_е увеличивается пропорциональ­но квадрату частоты. Затем начинает сказываться влияние па­разитных параметров L_p и С_р, и а_е остается приблизительно не­изменным. При высоких частотах эффект демпфирования в ос­новном определяется паразитными параметрами L_p, C_p, и ко­эффициент а_е уменьшается обратно пропорционально квадра­ту частоты.

Все предыдущие рассуждения относятся к случаю синусои­дальной помехи. Если имеет место импульсная помеха, то не­обходимо определить ее спектр и на основании изложенного материала можно определить коэффициент затухания.

Отметим, что демпфирующие свойства фильтра при импульс­ном воздействии не всегда выражаются зависимостью а_е от часто­ты, так как часто затрудняется переход от частотной области во временную вследствие нелинейности элементов фильтра, в частности катушек индуктивности.

Рис. 4.12. Коэффициент затухания а_е фильтра LC :

а - схема замещения фильтра; б - принципиальная частотная зависимость коэффициента затухания а_е

Однако при известной фор­ме импульса помехи (рис. 4.13) в первом приближении можно при выборе фильтра исходить из того, что область пропускания фильтра должна достигать по крайней мере частот f_g = 1/Δt или f_g = l/T_r Например, при времени нарастания Т_r = 5 нс час­тота f_g = 200 МГц.