Индуктивно-резистивный защитный элемент

Заявленное техническое решение относится к области силовой электроники и посвящено разработке электронного компонента, предназначенного для защиты от импульсных перенапряжений в электрических сетях, в цепях питания электронной аппаратуры и подавления высокочастотных помех, и может быть использовано для улучшения эксплуатационных и потребительских свойств устройств защиты от импульсных перенапряжений и ВЧ-фильтров для силовых цепей.
Помехоподавляющие и защитные фильтры в сети электропитания является эффективным средством защиты радиоэлектронной аппаратуры от кондуктивных и наведенных помех, которые могут приводить к их нестабильной работе и выходу приборов из строя. Подавляющее большинство помехоподавляющих фильтров представляют собой индуктивно-емкостные фильтры (LC-фильтры) с различной комбинацией звеньев (П-, Г-, Т- образных). Большая часть фильтров содержит индуктивно связанные дроссели для эффективного подавления синфазной помехи. Резистивно-емкостные фильтры (RC-фильтры) используются только в сравнительно маломощной аппаратуре, что связано со значительной выделяемой мощностью на активном сопротивлении фильтра при протекании электрического тока.
Как правило, в составе защитных фильтров для защиты от перенапряжений используются элементы шунтирующего типа: варисторы, газовые разрядники, суперессорные диоды и защитные тиристоры. Для защиты от импульсных перенапряжений малой длительности (сотни наносекунд) эффективны индуктивно-емкостные фильтры, которые снижают амплитуду, но не поглощают и не рассеивают энергию импульса перенапряжения. Защитные элементы шунтирующего типа - варисторы, газовые разрядники, суперессорные диоды поглощают энергию импульсных перенапряжений, шунтируя нагрузку.
Недостатками варисторов являются достаточно большая собственная емкость, сравнительно малая максимальная допустимая рассеиваемая мощность (по сравнению с разрядниками) и высокая вероятность повреждения в результате теплового пробоя, а также невозможность стабильной работы, в случае следующих друг за другом двух и более импульсов перенапряжения. Недостатками газовых разрядников являются большое время срабатывания, длительный период восстановления и малый срок службы. Основным недостатком супрессорных диодов является малая поглощаемая энергия. Для компенсации взаимных недостатков в устройствах защиты от импульсных перенапряжений используется комбинация различных типов защитных элементов. Однако общим недостатком является то, что все перечисленные защитные элементы являются элементами шунтирующего типа, подключаемыми параллельно нагрузке, поглощающими всю энергию импульса перенапряжения поступающего от сети. В случае если энергия импульса перенапряжения превышает максимальную величину поглощаемой энергии, то защитный элемент выходит из строя и импульс перенапряжения передается в нагрузку.
Перспективным решением в области фильтрации высокочастотных помех и защиты от импульсных перенапряжений в цепях электропитания является использование защитных индуктивно-резистивных элементов последовательного (блокирующего) типа подключаемых последовательно с нагрузкой. Данные элементы представляют собой индуктивности проводники которых имеют многослойную структуру с сильно изменяющимся активным сопротивлением с ростом частоты. Токопроводящие элементы, имеющие многослойную структуру содержат несколько токопроводящих слоев с различными электрофизическими характеристиками (удельное электрическое сопротивление, магнитная проницаемость) и взаимным расположением. Принцип работы данных защитных индуктивно-резистивных элементов последовательного типа основан на явлениях «скин-эффекта» и «эффекта близости» проявляющихся в изменения распределения плотности тока по поперечному сечению токопроводящей структуры таким образом, что с ростом частоты происходит уменьшение эффективной площади сечения, по которой проходит электрический ток и обеспечивается преимущественное токопрохождение в области с высоким электрическим сопротивлением.
Использование многослойных проводников с нелинейной частотной проводимостью достаточно известно для подавления помех и демпфирования высокочастотных осцилляций.
В патенте [1] представлены варианты коаксиальных 2-х проводных электрических линий на основе многослойных проводников. Предложенный в патенте многослойный проводник содержит внутреннюю хорошо проводящую сердцевину из материала с низким удельным электрическим сопротивлением (медь), на котором нанесен слой на основе ферромагнитного композита «MUSORB», поверх которого размещается коаксиальная резистивная оболочка с электрическим сопротивлением 100 Ом/м. В результате скин-эффекта, высокочастотная компонента тока «выталкивается» в слой с высоким электрическим сопротивлением, что обеспечивает эффективное затухание ВЧ-колебаний в линии. Схожие конструктивные решения представлены в патентах [2, 3], в которых представлено описание различных структур кооаксиального помехоподавляющего кабеля, содержащих токопроводящую сердцевину и внешнюю оболочку из ферромагнитного материала (сплав Fe-Ni, аморфное железо и т.д.). Недостатком перечисленных решений является сравнительно низкая эффективность, поскольку в основе явления лежит только явление «скин-эффекта» и сложность использования кабеля в качестве элемента защиты элементов радиоэлектронной аппаратуры. Кроме этого, перечисленные конструкции обеспечивает слабое подавление в области высоких частот (более 100 МГц), что обусловлено ограничением частотного диапазона ферромагнитного материала.
В патенте [4] представлен ряд конструктивных решений, использующих многослойные проводники, внутренний слой которых состоит из токопроводящего материала с малым удельным электрическим сопротивлением (медь), а внешний слой - материал с высоким удельным электрическими сопротивлением. В патенте в качестве резистивного материала предложено использовать проводники, на основе фиброволоконных материалов с металлизацией, что обеспечивает хорошее поглощение ВЧ-пульсаций в области высоких частот. Один из вариантов кабеля конструктивно представляет собой токопроводящую ленту, с нанесенным на ее поверхность с одной или с обоих сторон резистивным материалом. К недостаткам относятся эффективное поглощение пульсаций в области только высоких частот 10-1000 МГц, а также малые уровни импульсной поглощаемой мощности, что связано с малой теплопроводностью предложенных типов резистивных материалов. Кроме этого, к числу недостатков относится сложность использования кабеля в качестве элемента защиты элементов радиоэлектронной аппаратуры.
Описанные выше решения представляют собой конструкции токопроводящих кабелей и линий передачи, обладающих помехоподавляющими свойствами за счет явления скин-эффекта. Существуют варианты реализации дискретных элементов, основанных на этом физическом принципе.
В патенте на изобретение [5] представлен способ защиты от перенапряжений, заключающийся в включении последовательно с защищаемым электрооборудованием двухслойного или многослойного резистора, внутренний слой которого выполняют из неферромагнитного материала с высокой электропроводностью, а внешний слой выполняют из резистивного ферромагнитного материала. Для повышения эффективности помехоподавления внешний слой предлагается выполнить с профилированной поверхностью. Недостатком данного способа является сравнительно низкая эффективность в области средних частот (100 кГц - 1 МГц), обусловленная слабой зависимостью активного сопротивления от частоты для композитных проводников линейной структуры.
Защитное устройство для подавления высокочастотных перенапряжений, состоящее из соединенных в прямоугольную катушку двухслойных резисторов, внутренний электропроводящий слой которых имеет профилированную поверхность, на которую нанесен слой из ферромагнитного резистивного материала описано в патенте [6]. Ключевой особенностью данного патента является то, что проводник имеет сложный профиль, что обеспечивает более быстрое увеличение сопротивления с ростом частоты, однако, устройство имеет значительные габариты и сложно в изготовлении.
Существуют решения, в которых обеспечивается высокая эффективность подавления за счет одновременного использования явлений «скин-эффекта» и «эффекта близости». Это обеспечивает значительно более крутую зависимость активного сопротивления от частоты по сравнению с устройствами, основанными только на явлении «скин-эффекта». В патенте [7] описан частотозависимый резистор, конструктивно представляющий собой свернутую в рулон ленту из ферромагнитного или резистивного материала, длинные края которой имеют клиновидные сужения. Для электрической изоляции между соседними слоями в рулоне ленты расположен диэлектрический слой (бумага или картон). В описании патента указано, что существенное увеличение активного сопротивления с ростом частоты достигается за счет оттеснения тока к клиновидным торцам ленты. Это приводит к уменьшению эффективной площади сечения проводника и увеличению электрического сопротивления. Описанный частотозависимый элемент, как следует из описания, может быть использован для защиты электрических устройств от импульсных перенапряжений. Недостатком данного устройства является значительное электрическое сопротивление на постоянном токе и в области низких частот, обусловленное большим удельным электрическим сопротивлением материала ленты. В случае применения ленты из ферромагнитного материала недостатками также являются наличие максимального рабочего тока, обусловленного насыщением ферромагнитного материала и индуктивный характер цепи.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является частотозависимый индуктивно-резистивный элемент на основе композитных проводников, описанный в патенте [8], конструктивно представляющий собой свернутую в спираль ленту, имеющую композитную структуру: внутренний слой ленты выполнен из проводника с малым удельным электрическим сопротивлением (медь, алюминий и т.д.), на которую нанесено покрытие из материала с высоким удельным электрическим сопротивлением (нихром, композитные резистивные материалы). Для обеспечения электрической изоляции между соседними слоями в спиральной структуре присутствует диэлектрический слой (полиамид, майлар). Основным недостатком данного устройства является сравнительно малое электрическое сопротивление в области средних частот (10-100 кГц), что обусловлено эффективным оттеснением тока в область высокого электрического сопротивления только в области высоких частот. В результате существенно ухудшаются защитные свойства данного элемента.
В заявляемой полезной модели решается задача создания устройства (частотозависимого индуктивно-резистивного элемента), обеспечивающего значительное увеличение омического сопротивления в области средних частот (10-100 кГц). Техническим результатом устройства является повышение эффективности защиты от перенапряжений и помехоподавления за счет более эффективного «вытеснения» высокочастотной компоненты тока в область с высоким удельным электрическим сопротивлением.
Сущность полезной модели заключается в создании частотозависимого индуктивно-резистивного защитного элемента на основе многослойной проводящей структуры в виде ленты, свернутой в спираль, обеспечивающего малое омическое сопротивление на постоянном токе и низкой частоте, и высокое активное сопротивление в области средних и высоких частот. На фиг. 1 представлены структура (поперечное сечение) индуктивно-резистивного защитного элемента, где 1 - резистивный слой, 2 - токопроводящий слой, 3 - ферромагнитный слой, 4 - слой изоляции. Как видно из фиг. 1, индуктивно-резистивный защитный элемент представляет собой свернутую в спираль ленту, имеющую многослойную структуру: внутренний ферромагнитный слой 3 ленты выполнен из магнитомягкого ферромагнитного материала (электротехническая сталь, пермаллой, ферромагнитные сплавы Fe-Ni-Co, ферримагнитные материалы с аморфной структурой), промежуточный слой токопроводящий слой 2, покрывающий внутренний, выполнен из материала с малым удельным электрическим сопротивлением (медь, алюминий и т.д.), внешний резистивный слой 4, покрывающий промежуточный изготовлен из материала с высоким удельным электрическим сопротивлением (нихром, композитные резистивные материалы). Для обеспечения электрической изоляции между соседними слоями в спиральной структуре присутствует слой изоляции 4 (полиамид, майлар).
Решение указанной выше задачи достигается тем, что постоянный ток и ток низкой частоты протекает преимущественно по промежуточному токопроводящему слою с высокой электропроводностью. С ростом частоты происходит резкое уменьшение площади поперечного сечения токопрохождения токопроводящем слое за счет перераспределения тока, его «оттеснения» и «выталкивание» в резистивный слой с низкой электропроводностью. Значительное усиление процесса «выталкивания тока» в спиральной структуре обеспечивается за счет введения дополнительного ферромагнитного внутреннего слоя, что существенно увеличивает индукцию магнитного поля внутри токопроводящей структуры. В результате этого происходит эффективное перераспределение тока за счет скин-эффекта и эффекта близости уже в области средних частот и существенное увеличение омического сопротивления по сравнению с постоянным током. При увеличении числа витков в спиральной структуре, увеличивается скорость роста сопротивления при повышении частоты, вследствие их взаимного влияния. Таким образом, преимуществом данного устройства является быстрое увеличение активного сопротивления ростом частоты в области средних частот.
Новизна данного устройства заключается во введении дополнительного ферромагнитного слоя в композитную структуру ленточного проводника свернутого в виде спирали, что обеспечивает значительное увеличение активного сопротивления в области средних частот.
AC
DC
AC
DC
AC
DC
Сопоставление частотных зависимостей, полученных математическим моделированием показывает, что введение дополнительного ферромагнитного слоя приводит к увеличению активного сопротивления структуры в области средних частот в 2-2,5 раза по сравнению с решением без ферромагнитного слоя. Результаты расчета зависимости отношения активного сопротивления на переменном токе к сопротивлению на постоянном токе R/R в диапазоне частот до 10 МГц представлены на фиг. 2. Из фиг. 2 видно, что с ферромагнитным центральным слоем в области средних частот наблюдается быстрый рост и большие в 2-2,5 раза значения R/R по сравнению со структурой без ферромагнитного слоя. С ростом частот рост R/R замедляется и в области высоких частот наблюдается незначительное снижение активного сопротивления (5-10%) по сравнению со структурой без ферромагнитного слоя.
Таким образом, описанный индуктивно-резистивный защитный элемент может быть использован в составе различных устройств для защиты от импульсных перенапряжений и высокочастотных помех.
Список литературы
1. Patent № US 4510468 A «RF Absorptive line with controlled low pass cut-off frequency».
2. Patent № US 4383225 «Cables with high immunity to elecrto-magnetic pulses (EMP)».
3. Patent № US 7671278 «Cable having EMI-suppressing arrangement and method for making the same».
4. Patent № US 4301428 «Radio frequency interference suppressor cable having resistive conductor and lossy magnetic absorbing material».
5. Патент РФ на изобретение №2237333 Белокуров Е.М., Емельянов Н.И., Сарин Л.И., Челазнов А.А., Коробейников С.М., Царегородцев Н.Г., Ильиных М.В., Попов Л.Н. «Устройство для защиты от перенапряжений».
6. Патент РФ на полезную модель №132633 Коробейников С.М., Илюшов Н.Я., Лавров Ю.А., Лопатин В.В., Брыкин В.П., Коробенкова А.Ю., «Устройство для подавления высокочастотных перенапряжений».
7. Patent №US 5235311 Magnetic variable resistor.
8. Патент РФ на полезную модель №169173 Суворов Д.В., Буваков С.Ю., Гололобов Г.П., Тарабрин Д.Ю., Петров П.М. «Частотозависимый индуктивно-резистивный элемент на основе композитных проводников для защиты от импульсных перенапряжений и высокочастотных помех», 04.05.2016.