Отечественные керамические проходные конденсаторы и фильтры для подавления электромагнитных помех

Компоненты и технологии, № 5'2002

Отечественные керамические проходные конденсаторы и фильтры

для подавления электромагнитных помех

В последнее время появились статьи, посвященные конструкциям помехоподавляющих фильтров для аппаратуры СВЧ и рекомендациям по их применению [1-3]. Однако в них, как правило, основное внимание уделяется фильтрам зарубежных фирм (Spectrum Control, Erie, Murata и др.). В настоящей работе приводятся данные по конструкциям и характеристикам отечественных изделий. Поскольку вопросы расчетов и проектирования схем подавления электромагнитных помех в цепях самой аппаратуры подробно рассмотрены в достаточно большом числе отечественных и зарубежных работ, эти вопросы в настоящей статье не затрагиваются.

ного напряжения для конденсаторов КТП, как и для других проходных конденсаторов и фильтров, ограничивается максимально допустимым значением реактивной мощности, определяемой по формуле:

Pг = 2 п f И2 С,

где і — частота, и — переменная составляющая, С — емкость.

При превышении этого значения может наступить тепловой пробой конденсатора из-за его разогрева, вызванного потерями энергии в диэлектрике.

Конденсатор КТП состоит из керамической трубки с нанесенными на нее внутренним и внешним электродом, внутри которой проходит вывод, связывающий источник питания и нагрузку. К внешнему электроду припаяна резьбовая втулка, служащая элементом крепления, через которую помехи отводятся «на землю» (рис. 1). Емкость конденсатора определяется диэлектрической проницаемостью керамики, толщиной трубки и площадью перекрытия внутреннего и внешнего электродов. Начиная с определенной частоты сказывается индуктивность

Матвей Воловик Проходные конденсаторы КТП

Проходные конденсаторы КТП разработаны в конце 50-х годов, однако до настоящего времени применяются в ранее разработанной аппаратуре и продолжают выпускаться мелкими сериями. Служат простейшими С-фильтрами, развязывающими по высокой частоте источники питания от нагрузки. Отличаются относительно высоким максимально допустимым напряжением (800, 500 и 400 В). Следует отметить, что переменная составляющая приложен-

Таблица 1. Основные параметры конденсаторов КТП

Вид Группы ТКЕ Резьбовая втулка Номинальные емкости, пФ Номинальное напряжение, В Реактивная мощность, ВАр

КТП-1 П100, М47, М75, М750, М1500 Н70 М5 5,6-220 1500-3300 500 400 30; 50 1,5; 2,5

КТП-2 П100, М47, М75, М750, М1500 Н70 М6 8,2-470 4700-6800 500 400 60; 50 2,5

КТП-3 П100, М47, М75, М750, М1500 Н70 М8 8,2-330 10000; 15000 800 400 60; 70 3,5

33@giricond.spb.ru

Ф-

1 2

4

Рис. 1. Конструкция проходных конденсаторов

1 - керамическая трубка

2 - резьбовая втулка

3 - проходной вывод

4 - наружный электрод

5 - внутренний электрод

Керамический диэлектрик _______

Электроды

Толщина 'диэлектрика 3^на перекрытия

электродов

Рис. 2. Конструкция конденсаторов К10-54

Контактная поверхность

Компоненты и технологии, № 5'2002

проходного вывода и конденсатор превращается в ЬС-фильтр. В таблице 1 приведены параметры конденсаторов КТП.

Такую же конструкцию и назначение имеют конденсаторы КТПМ, отличающиеся от КТП меньшими размерами.

Проходные конденсаторы К10-54

В отличие от вышеприведенных трубчатых проходных конденсаторов, конденсаторы К10-54 выполнены в многослойной монолитной конструкции (рис. 2). Эти конденсаторы состоят из чередующихся тонких слоев керамического диэлектрика и серебряно-палладиевых электродов. В зарубежных конденсаторах такого типа начинают применять электроды из никеля или меди. Однако длительное сохранение электрических параметров конденсаторов с такими электродами на наш взгляд еще недостаточно изучено и в отечественных конденсаторах несмотря на дороговизну применяют электроды из драгоценных металлов, обеспечивающих в сочетании с монолитной конструкцией минимальные значения собственной индуктивности и эквивалентного последовательного сопротивления. Крепление конденсаторов к «заземленной» поверхности приборов осуществляется припайкой к ней наружного электрода конденсатора. Через сквозное отверствие в конденсаторе пропускается и припаивается к внутреннему электроду провод, электромагнитные помехи в котором подлежат фильтрации. При монтаже конденсаторов рекомендуется применять припои, температура которых или температура стержня паяльника не превышает 210 °С для группы Н90 и 240 °С для групп МПО и Н50. В качестве проходного вывода рекомендуется применять медный серебреный или луженый одножильный и гибкий многожильный провод. В случае применения одножильного провода его диаметр не должен превышать 0,8 мм для конденсаторов с внутренним отверстием 1,3 мм и 2 мм для отверстия 2,5 мм. Провод должен припаиваться перпендикулярно к торцевой поверхности конденсатора и изгибаться после пайки на расстоянии не менее 4 мм от поверхности конденсатора. При пайке заранее изогнутого провода изогнутый участок не должен быть ближе 2 мм от поверхности конденсатора во избежание возникновения электрического разряда. Для предотвращения возникновения механического резонанса (нижняя резонансная частота конденсатора более 5000 Гц), провод, проходящий через конденсатор, должен быть жестко закреплен на расстоянии не более 4 мм от поверхности конденсатора с обеих его сторон. Конденсаторы К10-54 применяются в различных конструкциях ЕМ1-фильтров, в том числе в фильтрах Б23Б, о которых пойдет речь ниже. Основные характеристики конденсаторов приведены в табл. 2.

Фильтры Б7-2, Б14, Б23А, Б24

Фильтры Б7-2, Б14, Б23А, Б24 являются РІ-фильтрами, содержащими один индуктивный и два емкостных элемента (рис. 3). Основное

Таблица 2. Основные характеристики конденсаторов К10-54

Группа ТКЕ Uном, В Номинальная емкость

50 820 пФ - 0,022 мкФ

МПО 100 150 пФ - 0,018 мкФ

350 4,7-1800 пФ

50 0,068-1,5 мкФ

Н50 100 0,01-1,0 мкФ

350 470 пФ - 0,15 мкФ

500 0,068; 0,1 мкФ

50 0,22-6,8 мкФ

Н90 80 0,1-3,3 мкФ

250 0,015-0,47 мкФ

Габаритные размеры, макс., мм D* d*

4,5-12,5

0,5-2,0

3-4

Реактивная мощность, ВАр

10-40

0,5-2,0

0,5-2,0

"Примечание: Э — внешний диаметр, d — внутренний диаметр, Н — высота.

Б7-2, Б23А

о

+1

аз

о'

ч

Б14

4,5±0,5

2==*-

В

1 0-0,58

с А с 2 —2

2

-о

Б24

Вариант «а»

і-Х-г-Х.

із

А - ферритовый сердечник

Вариант «в»

, .З.о

1 I 1 г і

І I і

6+2 И0±1; 12±1 6+2 о £ о г:оЛ'^0

Вариант "б"

- I г і

—>7 і 4,5±0,1 1 110±1; 12+1 "Згт—: і О £ О к 1 і СО ?9 ^Г оГ

1 г 20,5; 22,5

з і

О' ь

1 ^ рС- 43

-'Г

о 1 г

+1 1

о" І2 6±1; 8±1

л— И 0±1 12+1  6+2 *

с а с ——— 2

.ы.

ОЧ

Рис. 3. Конструкция фильтров Б7-2, Б-14, Б-23А, Б-24

Таблица 3. Основные характеристики фильтров Б7-2, Б-14, Б-23А

Тип фильтра Диапазон частот помехоподавления, МГц Группа ТКЕ Номинальная емкость, пФ Номиальное напряжение, В Реактивная мощность, ВАр Макс. ток, А Индуктивность, МкГн

Б7-2 100-1500 Н70 4700 250 2,5 5 0,05

Б-14 100-1500 Н70 3300; 4700 500 2,5 5 0,05

Б-23А 100-10000 Н30 1000; 1500 250 2,5 10;15 0,05

отличие их от проходных конденсаторов состоит в том, что внутренние электроды фильтра выполнены из двух раздельных изолированных друг от друга поверхностей, образующих два емкостных элемента. Емкость каждого из них равняется половине номинальной емкости фильтра. На проходящий через фильтр внутренний вывод надета ферромагнитная трубка, создающая вместе с выводом индуктивный элемент фильтра. Его индуктивность в зависимости от типа фильтра лежит в пределах зна-

чений 0,03-1,8 мкГн. Монтаж фильтров в аппаратуру осуществляется в зависимости от конкретных условий и конструкции фильтров: пайкой за корпус для фильтров Б7-2, Б23А, Б24 (вариант «а» и «б») или при помощи резьбовой втулки для фильтров Б14 и Б24 (вариант «в»). При этом необходимо соблюдать осторожность, так как изгибающие нагрузки, большие крутящие моменты (более 0,025 кгс-м) и удары приводят к образованию трещин и сколов керамики и могут вывести фильтр из строя.

Компоненты и технологии, № 5'2002

Для фильтров длиной 1=12 мм (см. табл. 4) и индуктивностью:

1. I = 0,040 мкГн

2. I = 0,085 мкГн

3. I = 0,130 мкГн

4. I = 0,220 мкГн

5. I = 1,800 мкГн

ю1 2 3,2 5 81 о2 2 3,2 5 8 юэ 2 3,2 5 8 ю4 Сном

пФ

Рис. 4. Характер зависимости частоты среза от емкости фильтров Б-24 длиной 12 мм

ІСЕ

МГц

Для фильтров длиной 1=10 мм (см. табл. 4) и индуктивностью:

1. I = 0,030 мкГн

2. I = 0,060 мкГн

3. I = 0,090 мкГн

4. I = 0,150 мкГн

5. I = 1,200 мкГн

Рис. 5. Характер зависимости частоты среза от емкости фильтров Б-24 длиной 10 мм

20

40

50

80

аб

100

9 N 84' \б 4—5 4 N3 \1

ч

2 3,2 5 8 10 20 32 50 80100 200 320 500 МГц 1000

Рис. 6. Характер зависимости вносимого затухания фильтров Б-24 от частоты

1 — для фильтров с Сном = 47 пФ 6 — для фильтров с Сном = 910 пФ

2 — то же 68 пФ 7 — то же 2200 пФ

3 — то же 150 пФ 8 — то же 4300 пФ

4 — то же 220 пФ 9 — то же 10 000 пФ

5 — то же 560 пФ

4,5+0,5

6+2

Фильтр Б23Б-1

го

4,5±0,5

6+2

Фильтр Б23Б-2

Ферритовый

Электрическая схема фильтров Б23Б с Іном = 10А

Рис. 7. Конструкция фильтров Б23Б

оз

Электрическая схема фильтров Б23Б с Іном - 25А

А

дБ

А

дБ

Рис. 8. Характер зависимости вносимого затухания фильтров Б23Б от частоты

Изгибы и скручивание проходных выводов не возникнуть трещины. В таблице 3 приведены Б14 на частотах от 100-1500 МГц — 40 дБ; Б-

допускается. При пайке фильтров за корпус основные характеристики фильтров. 23А — 40-45 дБ во всем диапазоне частот

следует применять режимы, указанные в тех- Вносимое затухание фильтров составляет: помехоподавления.

нических условиях, так как при перегреве или Б7-2 на частотах 100-200 МГц — 35 дБ, На рис. 4-5 приведены зависимости часто-термоударах в керамическом корпусе могут 200-800 МГц — 50 дБ, 800-1500 МГц — 35 дБ; ты среза от емкости, а на рис. 6 — характер

Компоненты и технологии, № 5'2002

1,0±0,3

L/2 L/2

1 2

Рис. 9. Конструкция и эквивалентная схема фильтров К10-78

зависимости вносимого затухания от частоты для наиболее перспективных фильтров Б-24.

Фильтры Б23Б

Рассмотренные выше фильтры имеют максимальную емкость 10000 пФ, что ограничивает нижнюю границу частотного диапазона помехоподавления величиной 100 МГц для фильтров Б7-2, Б-14, Б23-А и 0,7 МГц для фильтров Б24. Для снижения этой границы требуется существенное увеличение емкости фильтра, что трубчатая конструкция конденсаторов не может обеспечить. Поэтому в Ь-С-фильтрах Б23Б (рис. 7) в качестве емкостных элементов применены монолитные многослойные конденсаторы К10-54, которые были описаны выше, с емкостью от 0,047 до 6,8 мкФ. Это позволило снизить нижнюю границу до 10 кГц. Емкостные элементы, проходные выводы, ферритовые трубки (для фильтров на ток 10 А), размещены внутри керамического корпуса и герметизированы эпоксидным компаундом. В табл. 5 приведены основные характеристики фильтров.

На рис. 8 приведены зависимости вносимого затухания от частоты при сопротивлении схемы 75 Ом. Приближенный расчет вносимого затухания фильтров в диапазоне частот помехоподавления от 10 кГц до 10 МГц при значениях вносимого затухания не более 60 дБ для фильтров на напряжение 50 В и не более 50 дБ для фильтров на напряжение 250 В может производиться по формуле:

А = 20 ^ VI = 0,5 юЯС

Где: А — вносимое затухание (дБ); ю — круговая частота (с-1); И — сопротивление измерительной схемы, равное 75 Ом.

Фильтры К10-78

В отличие от ранее разработанных отечественных фильтров, ЬС-фильтры К10-78 выполнены в чип-исполнении и предназначены для поверхностного монтажа. За основу принята базовая конструкция многослойного монолитного керамического чип-конденсатора.

о 20 40 60 80

1 5 10 50 100

Рис. 10. Зависимость вносимого затухания фильтров К10-78

^22п

22000пФ

О о )0пФч>7Ч 4700пФ\ Г\ї\/ч* у *100 220п ОпФ Ф

2200пФ

Ф

500 1000 2000 МГц

Особенностью является иная конфигурация внутренних электродов, состоящая из проходного электрода, выходящего на торцевые контактные площадки, и Т-образного электрода, создающего третью контактную площадку и образующего емкость с проходным электродом (рис. 9). Через этот электрод электромагнитные помехи отводятся на «землю». Частота среза на уровне 3 дБ от 0,25 МГц для емкости 22000 пФ до 302,2 МГц для емкости 22 пФ. Значение вносимого затухания на частотах близких к 1000 МГц составляет 17-18 дБ. По своим параметрам эти фильтры близки к фильтрам серии ОТМ 40И фирмы Мигаїа. В табл. 6 приведены основные характеристи-

Таблица 4. Основные характеристики фильтров Б-24

ки фильтров, а на рис. 10 — зависимость вносимого затухания от частоты. ИМИ

Литература

1. К. Джуринский. Миниатюрные помехоподавляющие фильтры для РЭА СВЧ // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. 2001. № 3.

2. А. Скрипников. EMI-фильтры Murata // Компоненты и Технологии. 2002. № 2.

3. А. Малкин, С. Шепелев. Помехоподавляющие фильтры фирмы «SPECTRUM CONTROL» // Электронные компоненты. 1997. № 7 (8).

Группа ТКЕ М750 М1500 М2200 М3300 Н30 Н50 Н70 Н90

Номинальное напряжение, В 250 100

Номинальная емкость, пФ 43-91 91-240 240-560 560-910 910-1600 1600-3000 3000-5100 5100-10000

Индуктивность, мкГн 0,030- 0,0085 0,060- 0,130 0,060- 0,130 0,090- 0,220 1,2 -1,8

Диапазон частот помехоподавления, МГц 0,7-10 000

Вносимое затухание, дБ на частотах 100-1500 МГц 3,0-65 10 -70

Длина корпуса, мм 10; 12

О

Таблица 5. Основные характеристики фильтров Б24Б

ТКЕ Номинальное Максимальный ток, Номинальная емкость, Индуктивность, Реактивная

напряжение, В А мкФ мкГн мощность, ВАр

0,47; 0,68 2

0,47; 0,68; 1,0 3

10 1,5; 2,2 0,05 7

50 2,2; 3,3 10

4,7; 6,8 20

1,5: 2,2 7

25 2,2; 3,3 Не нормируется 10

Н90 4,7; 6,8 20

0,047 3

0,047; 0,068 5

10 0,047; 0,068; 0,1; 0,15 0,05 10

250 0,1; 0,15; 0,22; 0,33 20

0,22; 0,33; 0,470 30

0,047; 0,068; 0,1; 0,15 10

25 0,1; 0,15; 0,22; 0,33 Не нормируется 20

0,22 30

Таблица 6. Основные характеристики фильтров К10-78

Группа по ТКЕ Номинальное напряжение Максимальный ток, мА Номинальная емкость, пФ Реактивная мощность, ВАр

МПО 100 300 22-220 3

М750 470-1000 0,5

Н50 1000-22000 0,12