Частотозависимый индуктивно-резистивный элемент на основе композитных проводников для защиты от импульсных перенапряжений и высокочастотных помех

Частотозависимый индуктивно-резистивный элемент, представляющий собой токопроводящую ленту, свернутую в спираль, соседние витки которой электрически изолированы друг от друга, отличающуюся тем, что токопроводящая лента имеет внутренний слой из неферромагнитного материала с высокой электрической проводимостью и внешний слой, покрывающий внутренний, выполненный из неферромагнитного материала с низкой электрической проводимостью
Заявленное техническое решение относится к области силовой электроники и посвящено разработке электронного компонента, предназначенного для защиты от импульсных перенапряжений 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.
Использование входных фильтров в сети электропитания является эффективным средством ослабления кондуктивных и наведенных помех в сигнальных и управляющих цепях электронных приборов, которые могут приводить к их нестабильной работе и возникновению искажений сигналов внутри устройств. Помехоподавляющие фильтры позволяют значительно снизить кондуктивные помехи как от внешних, так и от внутренних источников, снизить восприимчивость электроаппаратуры к внешним воздействиям по цепи питания.
Подавляющее большинство производимых в настоящее время 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. Использование резистивно-емкостных фильтров ограничено по причине значительной выделяемой мощности на активном сопротивлении в рабочем режиме.
Для защиты от перенапряжений применяют такие компоненты как варисторы, газовые разрядники, супрессорные диоды и защитные тиристоры. Кроме этого, для защиты от перенапряжений очень малой длительности (сотни наносекунд) и относительно небольшой амплитуды могут быть использованы индуктивно-емкостные фильтры. Однако LC-фильтры лишь снижают амплитуду всплеска перенапряжения, но не поглощают его энергию. Варисторы, газовые разрядники, супрессорные 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.
Перспективным решением в области фильтрации высокочастотных помех и защиты от импульсных перенапряжений в цепях электропитания является использование защитных элементов блокирующего типа на основе композитных проводников, подключаемых последовательно с нагрузкой, сопротивление которых возрастает при воздействии высокочастотных осцилляций и импульсных перенапряжений. Токопроводящие элементы на основе композитных проводников содержат несколько токопроводящих слоев с различными электрофизическими характеристиками (удельное электрическое сопротивление, магнитная проницаемость), имеющих определенную структуру и взаимное расположение. Принцип работы композитных проводников основан на явлении изменения распределения плотности тока по поперечному сечению токопроводящей структуры таким образом, что с ростом частоты происходит преимущественное токопрохождение в области с высоким электрическим сопротивлением.
Использование композитных проводников с нелинейной частотной проводимостью достаточно известно для подавления помех и демпфирования высокочастотных осцилляций. Так, в патенте № US 4510468 «RF Absorptive line with controlled low pass cut-off frequency» представлены варианты коаксиальных 2-х проводных электрических линий на основе композитных проводников. Базовая структура композитных проводников содержит внутренний проводник 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. Недостатком решения является индуктивный характер цепи, наличие максимального тока, обусловленного насыщением ферромагнитного материала и слабое подавление в области высоких частот (более 100 МГц), что обусловлено ограничением частотного диапазона ферромагнитного материала.
Аналогичное решение коаксиального кабеля представлено в патентах №US 4383225 «Cables with high immunity to electro-magnetic pulses (EMP)» и № US 7671278 «Cable having EMI-suppressing arrangement and method for making the same», суть которых сводится к покрытию внешней поверхности токопроводящей оболочки кабеля токопроводящим материалом с ферромагнитными свойствами (сплав Fe-Ni, аморфное железо и т.д.). Наличие максимального тока обусловлено насыщением ферромагнитного материала, что является существенным ограничением для применения данных решения в силовых фильтрах с достаточно высокими значениями рабочих токов.
В патенте № US 4301428 «Radio frequency interference suppressor cable having resistive conductor and lossy magnetic absorbing material» представлен ряд конструктивных решений, использующих композитные проводники, внутренний слой которых состоит из токопроводящего материала с малым удельным электрическим сопротивлением (медь), а внешний слой - с высоким удельным электрическими сопротивлением - 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 обеих 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.
Перечисленные решения представляют собой варианты создания протяженных кабелей или линий передачи, обладающих помехоподавляющими свойствами за счет явления скин-эффекта, то есть оттеснения тока к поверхности проводника. Существуют варианты реализации дискретных элементов, основанных на этом физическом принципе.
В патенте 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» представлен способ защиты от перенапряжений, заключающийся во 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. Недостатком данного способа является ограниченный диапазон рабочих токов и небольшой уровень защиты от перенапряжений, обусловленный быстрым насыщением ферромагнитного материала.
В патентах РФ №2284622 «Устройство для защиты от перенапряжений» и №132633 «Устройство для подавления высокочастотных перенапряжений» представлено 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. Отличительной особенностью данного патента является профилированный характер проводника, что обеспечивает более быстрое увеличение сопротивления с ростом частоты, однако, устройство имеет значительные габариты, сложно в изготовлении и имеет описанную выше проблему наличия максимального тока, выше которого, вследствие насыщения ферромагнитного материала, происходит резкое уменьшение сопротивления и защитная функция утрачивается.
Существует решение по реализации частотозависимых резисторов для сигнальной электроники (патент №5883565 US Frequency dependent resistive element), суть которого состоит в создании токопроводящей структуры с сильно изменяющейся площадью сечения по направлению протекания тока таким образом, что с увеличением частоты происходит одновременное увеличение эффективного пути протекания тока (смещение к приповерхностной области) и уменьшение площади токопрохождения. Это обеспечивает существенно большее увеличение сопротивления с ростом частоты, по сравнению с одинаковым по площади сечением проводника. Однако целевым применением данной конструкции частотозависимого резистора является область сигнальной электроники, что обусловлено сравнительно небольшой глубиной изменения сопротивления по отношению к сопротивлению на переменном токе. Аналогичное решение представлено в патенте № US 3806841 «Frequency-sensitive and electrical transmission system embodying such resistor».
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является частотозависимый резистор, описанный в патенте № US 5235311 Magnetic variable resistor, конструктивно представляющий собой свернутую в рулон ленту из ферромагнитного или резистивного материала, длинные края которой имеют клиновидные сужения. Для обеспечения электрической изоляции между соседними слоями в рулоне ленты присутствует диэлектрический слой (бумага или картон). Как следует из описания, существенное увеличение электрического сопротивления с ростом частоты достигается за счет оттеснения тока к клиновидным краям ленты и, следовательно, к уменьшению эффективной площади сечения проводника и увеличению электрического сопротивления. Целевым применением данного частотозависимого элемента, как следует из описания, является защита электрических устройств от импульсных перенапряжений. Основным 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.
Таким образом, большинство существующих частотозависимых резистивных элементов на основе явления скин-эффекта имеет общий недостаток, связанный с наличием максимального рабочего тока, выше которого сопротивление элемента (или линии передачи) резко снижается, и защитные функции исчезают. Максимальный ток обусловлен наличием в их составе ферромагнитного материала, насыщение которого приводит к потере ферромагнитных свойств и резкому увеличению толщины скин-слоя. Недостатки существующих конструкций частотозависимых резистивных элементов, в составе которых отсутствуют ферромагнитные материалы, обусловлены существенным омическим сопротивлением на постоянном токе или при низкой частоте.
В заявляемой полезной модели решается задача создания устройства (частотозависимого индуктивно-резистивного элемента), обеспечивающего малое омическое сопротивление на постоянном токе и низкой частоте (50 Гц), а также значительное увеличение сопротивления с ростом частоты и широкий диапазон рабочих токов без явления насыщения по критерию максимального тока. Техническим результатом устройства является повышение эффективности помехоподавления и защита от перенапряжений за счет «вытеснения» высокочастотной компоненты тока в область с высоким удельным электрическим сопротивлением и отсутствие насыщения.
Сущность полезной модели заключается в создании частотозависимого индуктивно-резистивного элемента на основе композитных проводников со структурой и конструкцией, обеспечивающей малое омическое сопротивление на постоянном токе и низкой частоте (50 Гц), значительное увеличение сопротивления с ростом частоты в области средних (единицы-сотни кГц) и высоких частот (единицы-десятки МГц) и независимость частотной характеристики активного сопротивления от величины протекающего тока.
На фиг. 1 представлены структура индуктивно-резистивного элемента (поперечное сечение и общий вид), где 1 - резистивный слой, 2 - токопроводящий слой, 3 - диэлектрический слой, 4 - выводы. Как видно из фиг. 1, индуктивно-резистивный элемент представляет 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).
Решение указанной выше задачи достигается тем, что постоянный ток и ток низкой частоты протекает преимущественно по внутреннему слою с высокой электропроводностью, а с ростом частоты происходит резкое уменьшение площади поперечного сечения токопрохождения во внутреннем слое за счет перераспределения тока и его «оттеснения» к поверхности, и дальнейшее практически полное его «выталкивание» в область с низкой электропроводностью. Значительное усиление процесса «выталкивания тока» в спиральной структуре обеспечивается за счет эффекта близости, проявляющегося в значительном перераспределении плотности тока внутри проводника - увеличении плотности тока вблизи края, рядом с которым расположен проводник с сонаправленным 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 с ростом частоты.
Новизна данного устройства заключается в совместном использовании композитной структуры проводника и конструктивного решения в виде спирали, обеспечивающей значительный рост сопротивления с увеличением частоты за счет «выталкивания» тока в область проводника с высоким электрическим сопротивлением.
Электродинамический расчет и сопоставление частотных зависимостей отношения сопротивления индуктивно-резистивного элемента на переменном токе к сопротивлению на постоянном токе показывает, что данная структура способна обеспечить значительное увеличение сопротивления: на два порядка для области средних частот и на три и более порядка для области высоких частот.
Таким образом, описанный частотозависимый индуктивно-резистивный элемент может быть использован в составе различных устройств, для защиты электронной аппаратуры 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 electro-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 изобретение №2284622 Ефимов Б.В., Данилин А.Н., Колобов В.В., «Устройство для защиты от перенапряжений»
7. 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»
8. Patent №5883565 A US Frequency dependent resistive element
9. Patent № US 3806841 «Frequency-sensitive and electrical transmission system embodying such resistor»
10. Patent № US 5235311 Magnetic variable resistor