КЕРАМИЧЕСКИЙ ПРОХОДНОЙ ПОМЕХОПОДАВЛЯЮЩИЙ ФИЛЬТР

Заявляемая полезная модель относится к помехоподавляющим фильтрам, предназначенным для предотвращения распространения электромагнитных помех в электрической аппаратуре, и может быть использована в радиоэлектронной и электротехнической промышленности.
В настоящее время борьба с электромагнитными потерями является одной из самых серьезнейших проблем при создании радиоэлектронной аппаратуры вследствие возрастания функциональных возможностей, миниатюризации, увеличения плотности компановки и сложности аппаратуры, роста взаимного влияния ее элементов.
Среди большого количества помехоподавляющих фильтров, керамические проходные конденсаторы и фильтры занимают особое место, т.к. в отличии от сетевых и других крупногабаритных фильтров, которые могут работать самостоятельно как отдельные устройства, они в основном применяются в качестве комплектующих изделий в различных электронных устройствах и системах, в которых присутствуют электромагнитные помехи, влияющие на приборы с высокой чувствительностью: системы телекоммуникаций, медицина, военная и космическая техника, измерительная техника.
Наиболее опасными 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, к которым и относится заявляемый в качестве полезной модели, керамический проходной фильтр в металлическом корпусе, разработанный в ОАО «НИИ «Гириконд».
Конструктивно, фильтры нижних частот представляют собой сочетание емкостных и индуктивных элементов, соединенных по С, LC, Pi или Т-схеме.
Конденсаторы, включенные параллельно входному сигналу, обеспечивают низкое сопротивление для высокочастотных помех, закорачивая их на «землю», а индуктивность, включенная последовательно увеличивает сопротивление и отражает или поглощает их.
Тщательный выбор значений емкости и индуктивности позволяет эффективно фильтровать помехи и шумы в диапазоне от низких (кГц) до высоких (ГГц) частот.
Примером проходных фильтров нижних частот могут служить технические решения, описанные в следующих патентах:
- в патенте США №6822845 (заявл. 23.10.2003, опубл. 23.11.2004, кл. Н01G 4/35, ф. Spectrum Control Inc., США) заявлен низкопрофильный фильтр, содержащий проходной вывод, на который надеты два шайбовых керамических конденсатора и катушка индуктивности, расположенная между ними (фильтр Pi-типа);
- в заявке ЕПВ №452643 (заявл. 27.03.90, опубл. 27.02.91, кл. H03 1/00, ф. «Siemеns», Германия) заявлен проходной фильтр, сконструированный в виде болта с винтовой нарезкой, который содержит комбинацию двух индуктивных элементов и одного емкостного элемента (фильтр Т-типа). В качестве емкостного конденсатора использован пленочный конденсатор.
Заявляемый в качестве полезной модели керамический проходной фильтр является фильтром Pi-типа и состоит из двух емкостных элементов и одной индуктивности, представляющей собой (вместе с проходным выводом) комбинацию из ферритового сердечника и соосно надетого на него магнитопровода. В качестве емкостных элементов используются шайбовые керамические конденсаторы.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели техническим решением, взятым нами в качестве прототипа, является керамический проходной фильтр по патенту РФ №99240, заявл. 11.11.2010, кл. H01G 4/42 (патентообладатель - ОАО «НИИ «Гириконд»).
Фильтр-прототип имеет металлический корпус, выполненный в виде полого цилиндра. На одном конце цилиндрического корпуса выполнена метрическая резьба для фиксации фильтра в аппаратуре.
Внутри полого цилиндрического корпуса размещены два шайбовых керамических конденсатора и ферритовый сердечник, находящийся между ними, которые надеты на проходной вывод фильтра, пропущенный сквозь полый корпус фильтра.
Шайбовые керамические конденсаторы имеют по две группы проводящих пластин: первая группа проводящих пластин соединена с проходным выводом, а вторая группа проводящих пластин соединена с корпусом.
Главный недостаток конструкции прототипа - снижение помехоподавляющих параметров фильтра при увеличении проходного тока (напряженности магнитного поля). Это происходит в результате снижения магнитной проницаемости ферритового сердечника и индуктивности фильтра.
Основной помехоподавляющий параметр фильтра - вносимое затухание - зависит от величины емкости емкостного и индуктивности индуктивного элементов. При этом индуктивность определяется значением магнитной проницаемости ферритового сердечника. Для увеличения вносимого затухания фильтров требуются сердечники из материалов с высокими значениями магнитной проницаемости. Однако, у таких сердечников, с увеличением тока, происходит насыщение, его относительная магнитная проницаемость уменьшается, что влечет за собой пропорциональное уменьшение индуктивности и снижение вносимого затухания фильтра. Следует избегать работы фильтра в режиме насыщения. Ферриты входят в насыщение, если величина потока магнитной индукции превышает 0,3 Тл и она почти не зависит от марки феррита. Это ограничивает выбор марки ферритовых сердечников для фильтров, предназначенных для подавления высокочастотных помех при высоких значениях проходного тока. Для такого применения требуются сердечники, обладающие высокой индукцией насыщения при сохранении значений магнитной проницаемости. Такими свойствами обладают, например, магнитопроводы из нанокристаллических магнитомягких материалов.
Первые нанокристаллические магнитомягкие сплавы были разработаны в 1986 г. японской фирмой Hitachi Metalls. На основе этого сплава многие фирмы начали выпускать различные магнитопроводы с индукцией насыщения выше, чем у ферритов, и относительно высокой магнитной проницаемостью. Величина индукции насыщения таких магнитопроводов - 1,2 Тл.
Однако, максимальные значения магнитной проницаемости у таких материалов ниже, чем у ферритов и при низких значениях проходного тока они теряют свои преимущества.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является улучшение помехоподавляющих свойств фильтра, а именно сохранение высокого значения индуктивности и, как следствие, вносимого затухания В широком диапазоне проходного тока (напряженности магнитного поля).
Указанный технический результат достигается тем, что в заявляемом фильтре ферритовый сердечник, расположенный между двумя шайбовыми керамическими конденсаторами, дополняется магнитопроводом, который соосно надет на ферритовый сердечник, при этом магнитопровод и ферритовый сердечник подобраны таким образом, что своими магнитными свойствами дополняют друг друга для обеспечения технического результата заявляемой полезной модели:
- ферритовый сердечник, выполненный на основе Mn-Zn и Ni-Zn ферритов обладает максимальной магнитной проницаемостью при низких значениях напряженности магнитного поля (до 100 А/м) и обеспечивает высокое значение индуктивности и вносимого затухания при низких значениях проходного тока;
- магнитопровод, выполнений из нанокристаллического магнито-мягкого материала на основе железа, обладает высокой индукцией насыщения при сохранении достаточно высоких значений магнитной проницаемости при больших значениях напряженности магнитного поля (свыше 100 А/м) и обеспечивает высокое значение индуктивности и вносимого затухания при высоких значениях проходного тока.
Таким образом, сочетание в одном индуктивном элементе ферритового сердечника и магнитопровода, имеющих разную индукцию насыщения и выполненных из материалов, обладающих максимальной магнитной проницаемостью в одном случае - при низких значениях проходного тока (ферритовый сердечник), а в другом случае - при высоких значениях проходного тока (магнитопровод), обеспечивает сохранение высокого значения вносимого затухания в широком диапазоне проходного тока (напряженности магнитного поля).
Заявляемая совокупность указанных признаков является новой, а заявляемое техническое решение соответствует критерию «новизна».
Рассмотрим подробнее конструкцию заявляемого проходного фильтра, который представлен на фиг.1.
Патентуемая конструкция проходного фильтра, так же как и у прототипа, представляет собой полый металлический цилиндр (1), на одном конце которого выполнена наружная резьба для фиксации фильтра в аппаратуре. Сквозь полый корпус пропущен проходной вывод фильтра (2), на который соосно надеты два шайбовых керамических конденсатора (3), имеющих одинаковую емкость и ферритовый сердечник (4), находящийся между ними. На ферритовый сердечник (4) соосно надет магнитопровод (5). С помощью колец припоя (6) наружные контактные поверхности конденсаторов соединены пайкой с корпусом, а внутренняя контактная поверхность конденсаторов соединена пайкой с проходным выводом по обе стороны от ферритового сердечника с надетым на него магнитопроводом.
Элементы соединены таким образом, что образуют электрическую схему Pi-типа (фиг.2).
Шайбовые керамические конденсаторы (3) имеют, так же как у прототипа, по две группы проводящих пластин: первая группа проводящих пластин электропроводно соединена с проходным выводом, а вторая группа проводящих пластин электропроводно соединена с корпусом.
В качестве доказательства промышленной применимости приведем конкретный пример исполнения заявляемого в качестве полезной модели проходного фильтра, представленного на фиг.1.
Индуктивный элемент представляет собой (вместе с проходным выводом) комбинацию ферритового сердечника (4) и надетого на него магнитопровода (5).
При этом ферритовый сердечник (4) выполнен из магнитомягкого материала на основе Mn-Zn и Ni-Zn ферритов. Условное обозначение (тип) сердечника - М1000НН. Магнитная проницаемость материала - 1000, габаритные размеры, мм, (4,0×2,5×4,8); индукция насыщения 0,3 Тл. Сердечники выпускаются ООО «Нева-Феррит».
Магнитопровод (5) выполнен из нанокристаллического магнитомягкого материала на основе железа. Магнитная проницаемость материала - 245. Условное обозначение (тип) магнитопровода - MSC - 1030 (низкопрофильные дроссели с распределенным зазором), габаритные размеры, мм, (10,0×5,0×3,0), индукция насыщения - 1,2 Тл (что гораздо выше, чем у ферритов). Данные магнитопроводы изготавливает ОАО «Мстатор», г.Боровичи.
Для доказательства технического результата заявляемой полезной модели и для сравнительной оценки параметров индуктивности и вносимого затухания, были проведены испытания фильтра заявляемой конструкции и фильтра-прототипа (по патенту РФ №99230 - фильтр Б26-3, выпускаемый ОАО «НИИ «Гириконд»).
Фильтр-прототип был выполнен в том же размере и с тем же ферритовым сердечником, что и фильтр заявляемой конструкции.
Результаты испытаний представлены в табл.1.
Таблица 1
Индуктивный элемент фильтра
Значение индуктивности, нГн, при токе, А
0
1
3
6
10
15
20
Ферритовый сердечник М1000НН (конструкция-прототип)
400
350
120
98
85
79
69
Ферритовый сердечник М1000НН+магнитопровод MSC-1030 (заявляемая конструкция)
435
400
190
190
180
175
170
Как показали испытания, в заявляемой конструкции полезной модели, при повышении тока до 20 А, нет значительного снижения индуктивности фильтра и вносимого затухания, в то время, как в конструкции-прототипе уже при номинальном токе 3 А, индуктивность снижается.
Полученные данные свидетельствуют, что сочетание в одном индуктивном элементе ферритового сердечника и надетого на него магнитопровода, позволяет сохранить хорошие помехоподавляющие свойства фильтра в широком диапазоне проходного тока.
При этом ферритовый сердечник и магнитопровод выполнены из материалов с различными значениями магнитной проницаемости, α индукция насыщения у магнитопровода больше, чем у ферритового сердечника, что обеспечивает достижение технического результата заявляемой полезной модели.
Так же в качестве промышленной применимости приведем пример сборки заявляемого проходного керамического фильтра.
Корпус фильтра устанавливается в специальное приспособление резьбой вверх и осуществляется сборка элементов в следующей последовательности:
- пакет первого керамического конденсатора;
- проходной вывод, проходящий через отверстие конденсатора;
- кольца припоя для припайки пакета первого керамического конденсатора к корпусу;
- фторопластовая шайба;
- ферритовый сердечник во фторопластовой трубке;
- магнитопровод;
- фторопластовая шайба;
- пакет второго керамического конденсатора;
- кольца припоя для припайки второго пакета керамического конденсатора к корпусу.
Приспособление с собранным фильтром устанавливается на электроплитку и прогревается при определенной температуре в течение 5 мин., затем осуществляется выдержка при повышенной температуре до расплавления колец припоя. После испытания при комнатной температуре осуществляется герметизация фильтра компаундами ЭЗК-44 и ЭК-23.
Заявляемый керамический фильтр предназначен для использования в различной электронной аппаратуре и электрическом оборудовании и позволяет повысить их помехозащищенность.