ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СОЕДИНИТЕЛЬ СО ВСТРОЕННЫМИ ФИЛЬТРАМИ НИЖНИХ ЧАСТОТ
ELECTRIC CONNECTOR WITH BUILT-IN LOW-PASS FILTERS

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники и связи, к устройствам преобразовательной техники в части подавления электромагнитных помех и к технологии сетевых подключений, электрических соединений совместимой электрической электронной и радиоэлектронной аппаратуры.
Оно может быть использовано при сетевом питании крупных вычислительных центров, больших ЭВМ, передающих и приемных устройств, а также зданий и сооружений.
1. Уровень техники
1.1. Сокращенные обозначения:
ЭМП - электромагнитные помехи,
ФНЧ - фильтр низкой частоты,
ФВЧ - фильтр высокой частоты,
ФСИ - фильтр симметричных импульсов,
ФАС - фильтр асимметричных или одиночных импульсов,
R - активное сопротивление,
С - емкостное (реактивное) сопротивление,
L - индуктивное (реактивное) сопротивление.
Известны способы подключения к многофазной сети приемо-передающей аппаратуры типа «передатчик» или «приемник» посредством многожильного экранированного кабеля с разъемами типа розетка-вилка [1]. Известен и аналогичный способ соединения между собой пары единиц такой аппаратуры «передатчик» или «приемник» [2], в котором корпуса этой аппаратуры снабжают электромагнитными экранами как защитой элементов аппаратуры от внешних электромагнитных помех (ЭМП). Основными недостатками данных способов являются избыточные габаритные размеры.
Известны также способы подключения аппаратуры к сети или электрического соединения между собой с использованием сетевых фильтров [3, 4]. Это могут быть отдельно ФНЧ, ФВЧ, ФСИ или ФАС, а могут быть задействованы в передаче и приеме электрического сигнала все одновременно. Эти фильтры являются отдельными изделиями со своими размерами, и их использование существенно увеличивает размеры аппаратуры в комплекте, усложняя ее обслуживание. Кроме этого, многожильные экранированные кабели с разъемами имеют минимальную длину 1 метр и, при размещении пары совместимой аппаратуры «передатчик» - «приемник» на таком расстоянии, общая габаритная длина комплекса связи увеличивается на 1 м.
Из физики известно явление электромагнитного резонанса [5], которое заложено в основу построения электрических схем фильтров для подавления ЭМП [6-21]. Комбинацией в электрических схемах параметров L, C и R создают фильтры для ЭМП типа ФНЧ, ФВЧ, ФСИ или ФАС [22, 23]. Развитие микроэлектроники, появление промышленных компактных высокоточных резисторов, безвитковых дросселей и конденсаторов на основе металлокерамики позволило существенно уменьшить габариты фильтров и устанавливать их непосредственно в корпуса электрических многожильных разъемов: или в корпуса вилок, или в корпуса розеток [24-42]. Данное обстоятельство существенно упростило конструкцию радиоэлектронной аппаратуры, поскольку фильтры подавления ЭМП вынесены за пределы самой аппаратуры на периферию внутрь разъемов. Это позволило существенно уменьшить и габариты и единицы аппаратуры и комплекта соединенной кабелем аппаратуры. Тем не менее, существенным недостатком данных известных способов подключения единицы аппаратуры к многофазной сети или соединения между собой пары единиц такой совместимой аппаратуры, когда внутри разъема (или в вилке или в розетке) размещены фильтры подавления ЭМП, является увеличение габаритной длины самих разъемов. Это вместе с длиной экранированного многожильного кабеля существенно увеличивает габаритную длину (занимаемую площадь) связанной между собой электрически парой единиц аппаратуры.
Таким образом, известны способы подавления ЭМП, например [43], в котором один или несколько преобразователей, являющихся источниками помех, каждый из которых на своих рабочих частотах создает относительно потенциала корпуса электрооборудования на его входных и выходных линиях отличные друг от друга по частоте и фазе несимметричные помехи. В этом способе высокочастотную составляющую этих помех ослабляют ФВЧ несимметричных радиопомех, включенными на входных и выходных линиях электрооборудования. Для каждого источника помех, эквивалентная ЭДС которого воздействует на корпус относительно одной из цепей преобразователя, формируют напряжение относительно потенциала этой цепи, противофазное напряжению данной помехи, и прикладывают это напряжение к корпусу через двухполюсник, импеданс которого выбирают из условия максимальной компенсации напряжения помехи между линиями и корпусом от данного источника помех. Однако для реализации данного способа нужны фильтры ЭМП.
Отдельно известны сетевые фильтры ЭМП, в которых электрические и электронные цепи (например, по способу [43]) собраны внутри одного цилиндрического электропроводного (металлического) корпуса и цепи имеют общее электрическое соединение с «землей» посредством одной заземляющей пластины или решетки внутри корпуса. При этом внутри одного корпуса смонтированы (установлены) электрические схемы известных фильтров ФНЧ [44-46], в том числе и в электрических разъемах типа вилка. Корпуса этих фильтров выполняют в виде тонкостенных электропроводных цилиндров, а электрические и электронные схемы фильтров размещают внутри корпусов вдоль их оси. Корпуса всех фильтров размещают внутри корпуса разъема вдоль корпуса на одной оси каждый с контактным штырем вилки. Это существенно повышает качество основного электрического сигнала за счет фильтрации, но существенно усложняет конструкцию разъема и увеличивает трудоемкость его изготовления.
Таким образом, известны электрические многоэлектродные соединители (электрические разъемы) типа «розетка-вилка», к электрическим контактам которых последовательно подключены электрически фильтры ЭМП.
В то же время наибольшее распространение в электротехнике и в технике связи получила технология установки фильтров ЭМП в электрических соединителях типа «вилка». Это обусловлено тем, что вилка является условно подвижным элементом соединения (соединителя). Она чаще вынимается из розетки тогда, как розетка является неподвижным элементом аппаратуры и крепится к последней прочно.
Достаточно близким техническим решением (аналогом) является электрический много штыревой соединитель-вилка (разъем) с помехоподавляющими фильтрами [47]. Электрический соединитель с фильтрами помехоподавления включает в себя составной корпус и заземляющую пластину, штыри в изоляторах и штыри с фильтрующими элементами. Он содержит также компаунд, залитый через отверстия в корпусе, оболочку фильтров, передний удерживающий элемент контактных штырей, заземляющий сепаратор, контактные гнезда хвостовой части штырей.
Во внутренней области части корпуса, в которой размещена заземляющая пластина, сделан упор, выполненный за счет уменьшения внутренних размеров корпуса (упор 23) меньше внешних размеров заземляющей пластины 22, на который установлена и припаяна к корпусу по всему контуру заземляющая пластина [47, фиг. 2]. Кроме этого, заземляющая пластина 22 прижата к упору 23 стопорным кольцом 12 из электропроводного материала. К заземляющей пластине 22 прикреплена эластичная прокладка 11 со сквозными отверстиями, имеющими диаметры меньше диаметра цилиндрической части фильтров помехоподавления 13 в месте их пайки к заземляющей пластине 22. Части составного корпуса 2 и 5 соединителя объединены между собой резьбовым 7 и паяным 3 (опайка) соединениями.
Соединитель содержит фильтры 13, каждый из которых имеет по одному выводу в форме штыря 9, по одному выводу в форме хвостовика 16 и по одному выводу на внешней цилиндрической поверхности фильтра, а в хвостовой части фильтра 13 имеется буртик 14, причем между буртиком 14 и хвостовиком 16 сделано утонение 15 с площадью поперечного сечения меньшей максимальной площади поперечного сечения хвостовика. Утонение 15 имеет форму усеченного параллельно с двух сторон по цилиндрической части цилиндра и вставлено в паз гребенчатого изолятора 17, имеющего пазы и зубья.
Хвостовики 16 вставлены в отверстия позиционирующего изолятора 18. На хвостовики 8 контактных штырей 6 надеты изоляторы 4 со сквозными отверстиями, имеющими внутренний диаметр со стороны хвостовика 8 больше диаметра хвостовика 8, в средней части меньше диаметра хвостовика, а с противоположной хвостовикам стороны имеющим конусный заход. На штыревую 9 часть фильтра 13 надета скользящая вдоль штырей 9 с трением трубка-шайба 24.
Дренажно-заливочные отверстия 10 в корпусе расположены в плоскости, проходящей между плоскостью расположения окончаний хвостовиков 8 штырей 6 и плоскостью расположения места пайки помехоподавляющего элемента к штыревой части фильтра. Помимо прочего, помехоподавляющий элемент фильтров подавления 13 соединен со штырем 9 фильтра 13 припоем с температурой плавления более высокой, чем температура плавления припоя, соединяющего штырь 9 фильтра с хвостовой частью контактного штыря 6 и корпус фильтра 13 с заземляющей пластиной 22, чем части корпуса соединителя между собой и заземляющей пластины с корпусом соединителя. Данное техническое решение позволяет существенно повысить надежность соединений (контактов) внутри составного корпуса за счет большого числа мест пайки электрических соединений.
Наиболее существенными его недостатками являются избыточная сложность конструкции и соответственно трудоемкость изготовления, сборки, монтажа.
На самом деле, не считая трех типовых позиций: контактные штыри вилки соединителя - 6, корпуса - 5 с фланцем вилки соединителя и изолятора - 4 [47, фиг. 2], фиксирующего контактные штыри 6 соединителя 5, аналог содержит дополнительно 22 элемента конструкции, а всего 25.
2. Наиболее близким техническим решением (прототипом) является вилка электрического соединителя [48] - «Электрический соединитель со встроенными фильтрами нижних частот». Эта вилка также, как и в предыдущем аналоге, имеет составной корпус [48, фиг. 1]. Вилка содержит контактные штыри и встроенные фильтры нижних частот для защиты коммутируемых электрических цепей от внешних кондуктивных помех.
Конструкция штыря выполнена составной - из контактного штыря, армированного в пластмассовый или в стеклянный изолятор и из штыря с фильтрующим элементом, соединяемого с контактным штырем паяным соединением.
Вилка содержит фильтр нижних частот, состоящий из трубчатого конденсатора, одна из обкладок которого соединяется со штырем с двух сторон методом пайки и содержит один вывод для заземляющей пластины.
Вилка содержит, также, фильтр нижних частот, состоящий из ферритовых колец, надетых на штырь, поверх которых надета керамическая трубка, состоящая из двух конденсаторов, один из которых подпаян ко входу фильтра, а другой - на выход фильтра и содержит общий вывод.
В вилке, заземляющая пластина может осуществлять электрический контакт с общим выводом фильтра и корпусом соединителя паяными соединениями.
В вилке, заземляющая пластина может осуществлять электрический контакт с общим выводом фильтра и корпусом соединителя скользящими цанговыми контактами.
В вилке, часть корпуса соединителя, закрывающая фильтры, может быть цельной или составной. В случае составной - соединение корпусов осуществляется паяным соединением.
В вилке, фильтровое пространство герметизируется компаундом через предусмотренные в корпусе соединителя заливочные отверстия.
Внутри вилки предусмотрено подключение нескольких фильтров (звеньев) друг за другом с соответствующим увеличением длины корпуса соединителя и числа заземляющих пластин, пропорциональных количеству звеньев.
Вилка допускает установку в контактное поле соединителя любого типа фильтров или прямого штыря без фильтра.
В цели предлагаемого изобретения, по сравнению с аналогами и прототипом, входят получение следующих технических результатов.
1. Существенное упрощение конструкции электрического соединителя со встроенными фильтрами нижних частот.
2. Существенное улучшение качества (повышение точности) фильтрации электрического сигнала.
3. Причины, препятствующие получению технических результатов.
3.1. Высокая сложность конструкции обусловлена большим числом элементов самого электрического соединителя и большим числом элементов их соединений. Например, на фиг. 1 прототипа обозначены 19 элементов вилки, включая три позиции 4, 6 и 7, относящиеся к той секции вилки, которая непосредственно взаимодействует с розеткой и является идентичной для большинства электрических соединителей типа «вилка». В то же время на фиг. 1 не показаны и не обозначены дополнительные элементы, описание которых содержится в формуле изобретения, а именно трубчатый конденсатор, два конденсатора керамической трубки и ферритовые кольца. По сложности конструкции - прототип нисколько не проще аналога.
Сложность конструкции повышает трудоемкость изготовления, монтажа и обслуживания (тестирования).
p
3.2. Низкое качество фильтрации электрического сигнала обусловлено широкой полосой неравномерности частот f на частоте резонанса. Это связано с избыточной емкостью (большое число конденсаторов) и с недостаточной индуктивностью из-за ферритовых колец. Соединения (контакты) поверхностей между соседними ферритовыми кольцами имеют очень большие (причем, отличающиеся друг от друга) электрические сопротивления. Поэтому набор ферритовых колец не работает на индуктивность, как сплошной феррит.
4. Признаки прототипа, совпадающие с заявляемым предлагаемым изобретением
Электрический соединитель со встроенными фильтрами нижних частот, содержащий двухсекционный цилиндрический корпус вилки, в одной секции которой параллельно оси корпуса с одинаковыми зазорами между собой и неподвижно размещены контактные штыри, один конец которых может взаимодействовать с контактным гнездом розетки, другой снабжен хвостовиком, а в другой секции аналогично контактным штырям размещены фильтрующие устройства, коаксиальные контактным штырям и взаимодействующие с ними, состоящие из хвостовой части, керамических и ферритовых элементов и контактных гнезд, так что хвостовые части электрически соединены с хвостовиками контактных штырей, а на контактные гнезда фильтров возможна подача фильтруемого электрического напряжения.
5. Основной задачей предлагаемого изобретения является
5.1. Существенное упрощение конструкции электрического соединителя со встроенными фильтрами нижних частот.
5.2. Существенное улучшение качества (повышение точности) фильтрации электрического сигнала.
6. Эти технические результаты в заявляемом электрическом соединителе со встроенными фильтрами нижних частот достигаются тем, что хвостовая часть фильтров выполнена как одно целое с неподвижной осью фильтра, на эту ось свободно посажены трубчатые керамические конденсаторы, контактные гнезда выполнены как одно целое с осью, а ось с трубчатыми конденсаторами, на длине их размещения, неподвижно установлена коаксиально и внутри ферритовой трубки с равномерным зазором между внутренней поверхностью ферритовой и наружной поверхностью керамических трубок конденсаторов.
p
7. Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана общая схема конструкции электрического соединителя со встроенными фильтрами нижних частот, а на фиг. 2 - графики резонансных полос электрического сигнала U(f).
7.1. В заявляемом техническом решении на фиг. 1 и 2 обозначены следующие функциональные элементы.
1 - секция цилиндрического корпуса вилки (на чертежах отдельно не обозначен), в которой параллельно оси корпуса с одинаковым зазором между собой и неподвижно размещены контактные штыри (на чертежах не показаны) с хвостовиками 1.1. Контактные штыри внутри этой секции 1 залиты компаундом и неподвижны так же, как и в прототипе.
2 - секция цилиндрического корпуса вилки, в которой аналогично контактным штырям секции 1 размещены цилиндрические фильтрующие устройства 3, наружные поверхности которых охвачены экранирующей сеткой 4. Корпуса фильтров 3 в секции 2 залиты компаундом 5 и неподвижны так же, как и в прототипе.
Каждое фильтрующее устройство 3 включает в себя неподвижную электропроводную ось 3.1 с хвостовой частью 3.1.1 и с контактными гнездами 3.1.2. На ось 3.1 между хвостовой частью 3.1.1 и контактными гнездами 3.1.2 свободно посажены керамические трубчатые конденсаторы 3.2.
Участок оси 3.1 с конденсаторами 3.2 размещен внутри ферритовой трубки 3.3 с равномерным зазором между внутренней поверхностью ферритовой трубки 3.3 и наружной поверхностью трубчатых конденсаторов 3.2. Противоположные концы каждой ферритовой трубки 3.3 запаяны и припаяны к оси 3.1 (на фиг. 1 показано сплошным черным цветом).
В торцах хвостовиков 1.1 секции 1 предварительно засверлены цилиндрические осевые углубления (на чертежах не обозначены), взаимодействующие с входящими в них свободно хвостовыми частями 3.1.1 осей 3.1 фильтров 3. Контакты между хвостовиками 1.1 в осевых углублениях с хвостовой частью 3.1.1 осей 3.1 могут быть припаяны (на фиг. 1 показано сплошным черным цветом).
p
6 - крутизна резонансной кривой U(f), полученной при испытаниях прототипа.
P
7 - крутизна резонансной кривой U(f), полученной при испытаниях заявляемого технического решения.
Буквенные обозначения:
U - обозначено напряжение электрического фильтруемого сигнала.
f - обозначена частота напряжения электрического фильтруемого сигнала.
P1
f - обозначена неравномерность фильтрации на частоте резонанса (прототип, кривая 6, фиг. 2).
P2
f - обозначена неравномерность фильтрации на частоте резонанса (заявляемое техническое решение, кривая 7, фиг. 2).
7.2. Основные технические результаты предлагаемого изобретения достигаются следующим образом.
7.2.1. Существенное упрощение конструкции электрического соединителя со встроенными фильтрами нижних частот обеспечено вдвое меньшим числом типовых элементов электрического соединителя и вдвое меньшим количеством сборочных операций, в том числе и пайки.
Р
7.2.2. Существенное улучшение качества фильтрации электрического сигнала вдвое лучше, чем у прототипа (кривая 6 и кривая 7, фиг. 2), обеспечивается размещением участка электропроводной оси 3.1 с керамическими трубками конденсаторов 3.2 внутри ферритовой трубки 3.3 (аналог катушки индуктивности). Указанный участок с конденсаторами 3.2 внутри трубки 3.3 является полноценным сердечником и более чем в 2 раза увеличивает индуктивность фильтрующего контура. Сама ферритовая трубка 3.3, являясь сплошной, создает значительно большую по величине и более равномерную вдоль контура индуктивность. Это обеспечивает более точную настройку контура на резонансную частоту f и значительно более крутую резонансную кривую.
На фиг. 2 показано, что неравномерность фильтрации на частоте резонанса в прототипе (кривая 6) вдвое больше, чем в заявляемом техническом решении.
Источники информации
1. Китаев В.К. Электротехнические устройства радиосистем. М., Энергия, 1971.
2. Полонский Н.В. Конструирование электромагнитных экранов для радиоэлектронной аппаратуры, М., Советское радио, 1979.
3. Босый Н.Д. Электрические фильтры. Киев, Гос. изд. техн. лит. УССР, 1960.
4. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры. Под ред. Найвельта Г.С. М., Радио и связь, 1985.
5. Орир Дж. Физика, т. 1, §6 «Цепи переменного тока», М., Мир, 1981.
6. Линейный фильтр 1F-4. Технический паспорт. СП. «АС», С.-Петер., 1992.
7. JP 60-87512 В4, 17.05.85.
8. ЕР 0267129 A1, 11.05.88.
9. US 3683271 A, 08.08.72.
10. FR 2576163 F1, 18.07.86.
11. US 4888675 A, 19.12.89.
12. US 4369490 A, 18.01.83.
13. Заявка JP 60-21467 В, МПК H01R 13/647, 1985.
14. Заявка DE 3403013, МПК H01R 25/00, 1985.
15. US 4408171 А, 1983.
16. US 4614924 A, 1986.
17. SU 928473 A, 15.05.1982.
18. US 4083022 A, 04.04.1979.
19. US 4083022 A, 04.04.1978.
20. DE 7828515 U1, 08.03.1979
21. DE 1250891 B, 28.09.1967.
22. http://coretech.com.ua
23. http://www.coretech.com.ua/docs/coretech_EMI_suppression_components-D2U_%5B2013%5D.pdf
RU 2051466 C1, 27.12.1995.
24. RU 2186694 C1, 10.08.2002.
25. US 6362985 A, 02.03.2002.
26. US 7032195 A, 2006.
27. RU 2133540 C2, 20.07.1999.
28. RU 2069436 C1, 20.11.1996.
29. RU 2044380 C1, 20.09.1995.
30. EP 0381131 A2, 08.08.1990.
31. DE 19815488 C1, 09.03.2000.
32. RU 49377 U1, 10.11.2005.
33. RU 1778835 A1l, 30.11.1992.
34. RU 2051466 C1, 27.12.1995.
35. RU 2186694 C1, 10.08.2002.
36. US 6362985 A, 02.03.2002.
37. US 7032195 A, 18.04.2006.
38. RU 2321115 C1, 27.03.2008.
39. DE 19815488 C1, 09.03.2000.
40. DE 20316051 U1, 18.12.2003.
41. US 2003/232600 A1, 18.12.2003.
42. RU 2179356 C2, 10.02.2002.
43. RU 2343630 C1, 10.01.2009.
44. RU 2138914 C1, 27.09.1999.
45. RU 49377 U1, 10.11.2005.
46. RU №93190 U1, 20.04.2010.
47. RU №2396651 C2, 10.08.2010.
48. RU 2321115 C1, 27.03.2008.