5.9.1. Элементы фильтров
Конденсаторы. Применяются как самостоятельные помехоподавляющие элементы и как параллельные звенья фильтров. Конструктивно помехоподавляющие конденсаторы делятся на:
двухполюсные (с двумя выводами);
опорные (одним из выводов является металлический корпус);
проходные некоаксиальные (все выводы являются токонесущими);
проходные коаксиальные (центральный вывод токонесущий проводник, другой – металлический корпус);
конденсаторные блоки (конструктивно выполнены в одном корпусе).
При выборе типа и номинальной величины емкости конденсатора следует выполнять следующие условия:
и
,
(5.111)
где Rk – модуль сопротивления конденсатора;
Lш – индуктивность шины питания;
n – кратность уменьшения помех;
τф – длительность переднего фронта сигнала помехи.
Помехоподавляющие дроссели могут использоваться в качестве самостоятельных устройств фильтрации и в виде составных частей фильтра. Они устанавливаются непосредственно на источнике помех или вблизи и в фильтрах нижних частот включаются последовательно в провод, по которому распространяются помехи. Качеством дросселя в значительной степени определяются достоинства фильтра.
Характерной особенностью работы дросселей в защитных фильтрах является то, что они должны обладать достаточно большим сопротивлением в широком диапазоне частот. Однако для выполнения этого требований на низких частотах необходимо делать катушки со значительной индуктивностью и большим числом витков, в результате чего возрастает собственная емкость катушек, уменьшающая их сопротивление на высоких частотах. Применение в катушках секционированных обмоток снижает их собственную емкость, но уменьшает и индуктивность. Таким образом, следует искать компромиссное решение. Во избежание потерь надо стремиться к тому, чтобы активное сопротивление катушки было минимальным.
При конструировании дросселей для фильтров систем экранирования следует также помнить об обеспечении достаточной механической прочности, изоляции и влагоустойчивости. Кроме того, следует стремиться к сокращению габаритов катушки, к обеспечению большой поверхности охлаждения для ограничения нагрева, к уменьшению расхода цветных металлов, например, меди и изоляционных материалов. В некоторых случаях осуществляется экранирование дросселей. Обычно собственная частота дросселя подбирается равной средней частоте защищаемого диапазона. Чтобы частотная характеристика фильтра была по возможности равномерной в требуемом диапазоне частот, не следует применять больших индуктивностей. В большинстве случаев индуктивность дросселей не должна превышать 500 мкГ, при этом их конструкцию оформляют таким образом, чтобы собственная емкость не превышала 100 пФ.
В качестве помехоподавляющих дросселей могут применяться любые катушки, имеющие необходимые частотные характеристики полного сопротивления. Дроссель может быть как с ферромагнитным сердечником, так и без него. В качестве материала для сердечника рекомендуется сталь ВЧ-2, магнитная проницаемость которой сохраняет значительную величину в области высоких частот. Для обеспечения высокой проницаемости на высоких частотах при небольших протекающих по дросселю токах рекомендуется в качестве сердечника использовать ферриты, которые coxpaняют необходимую величину индуктивности, позволяют значительно уменьшить габариты (число витков) дросселя.
Для определения индуктивности катушки круглого сечения можно воспользоваться соотношением
,
[мкГн] при
l >0,3
D; (5.112)
,
при
l
>> D,
где n – число витков; D – диаметр катушки, см; l – длина катушки, см.
При фильтрации сетей электропитания большой мощности используют безвитковые дроссели в виде прямолинейных токопроводящих стержней, окруженных толстостенным трубчатым магнитопроводом из ферромагнетиков.
Индуктивность такого дросселя определяется магнитным потоком, проходящим по трубе:
,
(5.113)
где μr – начальная магнитная проницаемость, мкГн/м;
h – длина магнитопровода, м;
d2, d1 – наружный и внутренний диаметры трубы.
Рекомендации к конструкции и монтажу фильтров:
Фильтр, как правило, необходимо экранировать (кроме емкостного). Обычно экраном служит корпус самого фильтра.
Входные и выходные проводники должны находиться с противоположных сторон как можно дальше и проходить вне корпуса. Экранирующая оплетка или труба (если они есть) должны иметь надежный контакт с корпусом фильтра по всему периметру отверстия для ввода (вывода) провода.
Необходимо уделять большое внимание экранированию входных и выходных цепей фильтра, включая входной и выходной конденсаторы.
Следует избегать расположения элементов фильтра на съемных частях корпуса.
Необходимо правильно размещать проходные конденсаторы.
Обычные конденсаторы лучше монтировать проходным способом, т.е. помехонесущий провод необходимо крепить непосредственно к выводу конденсатора. Соединение выполнять коротким проводом не более 10-15 мм и диаметром не менее 2 мм.
Крепление конденсаторов и дросселей должно быть прочным и вибропрочным.
Нельзя использовать вводы конденсатора для его механического крепления.
Помехоподавляющие элементы необходимо размещать так, чтобы был обеспечен хороший доступ для осмотра и замены.
Конденсаторы, которые при отключении аппаратуры от сети питания могут быть заряжены, должны иметь разрядные сопротивления со временем разряда не более 10 с.