§ 5.3. Методы фильтрации помех

Основным методом ослабления кондуктивных помех, создаваемых в цепях питания, коммутации и передачи сигналов управления, явля­ется фильтрация. Фильтрация - это способ ослабления напряжения и токов помех с помощью электрической цепи, вносящей затухание в заданных полосах частот. Предназначенные для этой цели помехоподавляющие устройства (фильтры) позволяют снижать кондуктивные помехи как от внешних, так и от внутренних источников(например, со стороны сети питания и нагрузки).

Фильтры должны отвечать следующим требованиям:

- обеспечение заданной эффективности фильтрации в требуемом частотном диапазоне;

- ограничение допустимого падения напряжения на фильтре при максимальном токе нагрузки;

- ограничение по требованиям техники безопасности допустимого значения реактивной составляющей тока на основной частоте;

- обеспечение допустимых нелинейных искажений питающего напря­жения, определяющих требования к линейности фильтра.

По своему назначению помехоподавляющие фильтры являются ши­рокополосными фильтрами нижних частот (ФНЧ). Фильтры в цепях пита­ния и управления строятся по индуктивно- или резистивно-емкостной схемам.

Для определения вносимого фильтром затухания используется матричный аппарат теории четырехполюсников

(7.36)

На рис.7.17 приведены типовые схемы включения ФНЧ, а в табл.7.1 соответствующие значения матричных коэффициентов A_mn , выражен­ные через импедансы индуктивностей и емкостей.

Эффективность фильтрации существенно зависит от импедансов источника ( Z_i ) и нагрузки ( Z_н ). В связи с этим структура филь­тра определяется исходя из следующих соображений: первым элементом фильтра при малом сопротивлении источника должна быть индуктивность, при большом сопротивлении источника - емкость. Аналогично следует выбирать и последний элемент фильтра с учетом величины нагрузки. Заданную эффективность фильтрации можно обеспечить при различ­ных значениях индуктивностей и емкостей элементов фильтра. При вы­боре параметров элементов следует учитывать, что конструкция катушек индуктивности проще, дешевле и надежнее для малых токов, а кон­струкция конденсаторов - для малых напряжений. Поэтому при большом токе и низком напряжении рекомендуется применять фильтр с малыми индуктивностями и большими емкостями, а при высоком напряжении и малом токе используются конденсаторы с небольшими емкостями и дрос­сели с максимально допустимыми индуктивностями или резисторы.

Реальные характеристики помехоподавляющих элементов и фильтров определяются их конструктивными особенностями и имеют ряд ограни­чений по частоте, току и напряжению.

Конденсаторы применяются: как самостоятельные помехоподавляющие элементы и как параллельные звенья фильтров. Тип конденсаторов зависит от материала диэлектрика (бумажные, металлобумажные, пленоч­ные, керамические, электролитические и т.д.). Конструктивно помехоподавляющие конденсаторы делятся на:

- двухполюсные (с двумя выводами);

- опорные (одним выводом является металлический корпус);

- проходные некоаксиальные (все выводы являются токонесущими);

- проходные коаксиальные.

Основной характеристикой помехоподавляющего конденсатора явля­ется зависимость его импеданса от частоты. Максимальная частота, на которой конденсатор эффективно работает, является резонансной час­тотой, обусловленной собственной индуктивностью конденсатора. Час­тоту резонанса можно существенно повысить, применив проходной кон­денсатор, конструкция которого приведена на рис.7.18. Токонесущий стержень проходит через корпус конденсатора, изолируется от него фарфоровыми или стеклянными изоляторами. Один торец секции припаян к токонесущему стержню, а другой по всему периметру к корпусу, яв­ляющемуся выводом конденсатора. Тем самым достигается малая собст­венная индуктивность, что обеспечивает возможность применения про­ходных конденсаторов на более высоких частотах.

Индуктивные элементы в конструктивном отношении представляют собой дроссели следующих видов: винтовые на ферромагнитном сердеч­нике и безвинтовые. Основной характеристикой помехоподавляющего дросселя является зависимость его импеданса от частоты. На частотах выше резонансной дроссель имеет емкостное сопротивление, уменьшаю­щееся с ростом частоты, Применение в дросселе секционированных об­моток снижает их собственную емкость, однако при этом уменьшается и индуктивность дросселя. Безвитковый дроссель, в схеме замещения которого отсутствует емкость, представляет собой трубчатый ферро-магнитный сердечник, одеваемый на токонесущий стержень.

При конструировании дросселей важное значение имеет выбор ферромагнитного материала сердечника, который для обеспечения большой индуктивности не должен входить в насыщение. Учитывая широкий диапазон частот, в котором должны работать дроссели, и возможность установки их в цепях с большой величиной тока, рекомендуются применять ферромагнитные материалы со сравнительно низкой магнитной проницаемостью: никель-цинковые ферриты ( μ = 100...600) и альсиферы марки ТЧ-90.

Высокую эффективность подавления помех в широкой полосе частот обеспечивают микроминиатюрные керамические проходные фильтры, построенные по схеме Г-, Т- или П-образного звена ФНЧ. Высокочастот­ные фильтры типа Б7, Б14, Е23 (см.рис.7.19) предназначены для по­давления помех в цепях постоянного пульсирующего и переменного то­ков в диапазоне частот от 10 МГц до 10 ГГц. Медный токоведущий проходной проводник с надетым на него трубчатым сердечником из ферромагнитного материала помещён в керамическую конденсаторную трубку из сегнетокерамики, на внутреннюю и внешнюю поверхности ко­торой нанесены серебряные электроды. Внутренний электрод конденса­тора разделен на две части, образующие два цилиндрических керами­ческих конденсатора, которые вместе с ферромагнитным сердечником реализуют П-образную схему ФНЧ. Вносимое затухание таких фильтров возрастает от 20 до 50 дБ в диапазоне частот 10...100 МГц и превышает 60 дБ на частотах выше 100 МГц.

57