SU1721702A1 - Сетевой помехоподавл ющий фильтр - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к электро- и радиотехнике , в частности к сетевым фильтрам . Цель изобретени  -уменьшение массы и металлоемкости фильтра при обеспечении 2 затухани , вносимого фильтром на высоких и очень высоких частотах. Фильтр состоит из двух металлических лент и чередующихс  с ними диэлектрических прокладок, наложенных одна на другую по всей длине и свернутых в рулон. Одна из лент снабжена электрическими выводами на обоих концах, они служат входом и выходом фильтра. Втора  лента имеет по меньшей мере один (корпусной ) вывод на конце. Новым  вл етс  выполнение второй металлической ленты с уменьшающейс  шириной от центра рулона к его наружной поверхности. 2 з.п.ф-лы, 3 ил. .

Description

Изобретение относитс  к электро- и радиотехнике , в частности к фильтрам дл  подавлени  помех в цеп х питани  (сетевые помехоподавл ющие фильтры).

Известны сетевые помехоподавл ющие фильтры (СЛФ) различных типов и модификаций . Их можно условно разделить на две группы - СПФ на дискретных элементах (например , типа ФИЕ-10-220, ФП-11 МРТУ 45 1110-67 и др.) и СПФ, в которых катушка и конденсатор конструктивно объединены.

СПФ первой группы представл ют собой одну или две Г-образных или П-образ- ных С-цепи. Так как СПФ обычно предназначены дл  подавлени  помех в цеп х питани  с напр жением до сотен вольт при токах до нескольких ампер, то конденсаторы и катушки таких СПФ и сами СПФ имеют большие габариты, массу и стоимость .

Так, СПФ типа ФИЕ-10-220 занимает объем около 4 дм и весит 3,4 кг, фильтр типа

ФП-11 занимает объем свыше 9 дм и весит около 8 кг.

Кроме того, в СПФ первой группы дл  обеспечени  требуемого затухани  примен ют конденсаторы с номинальной емкостью (0,5-1,0) мкФ, что приводит к большим токам утечки таких СПФ и значительно увеличивает пусковой ток в момент подачи на фильтр напр жени  питающей сети, а также увеличивает реактивную нагрузку на генератор .

Каждое из приведенных обсто тельств существенно ограничивает применимость таких СПФ при жестких требовани х к токам утечки, предъ вл емых, например, дл  аппаратуры медицинской техники, и, кроме того, к массе и габаритам СПФ, используемых в автономных сет х электропитани  (например,аппаратуре морской , авиационной и космической техники),

В СПФ второй группы катушка и конденсатор конструктивно и электрически

(/

с

VI

ю

ы о

Ю

объединены, так как катушка выполнена из металлической ленты и одновременно  вл етс  одной из обкладок конденсатора.

Такое объединение элементов резко снижает емкость и ток утечки, а также массу и габариты фильтра при соизмеримых с фильтрами первой группы величинах силового тока, протекающего через катушку фильтра, и соизмеримых величинах затухани , вносимого СПФ на высоких и очень высоких частотах. Типичные характеристики СПФ этой группы: масса 20-50 г, объем 0,005-0,01 дм , номинальна  емкость 0,01 мкФ. Иными словами, СПФ второй группы позвол ют получить выигрыш по основным параметрам в сотни раз.

Известен Т-образный фильтр, состо щий из внешней и внутренней катушек, представл ющих собой свернутые в рулон вместе с изол ционной бумагой металлическую фольгу, и конденсатора, образованного из металлической фольги и диэлектрика, вложенных в середину внутренней катушки. Между внутренней и внешней катушками образован кольцеобразный магнитный экран из более широкой металлической фольги .

Однако этот СПФ имеет довольно сложную конструкцию и сравнительно небольшое затухание на высоких частотах в силу конструктивных особенностей, определ ющих повышенную величину паразитной проходной емкости.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту к предлагаемому  вл етс  фильтр подавлени  помех, состо щий из двух металлических лент и чередующихс  с ними диэлектрических прокладок, наложенных одна на другую и свернутых в рулон. Одна из металлических лент снабжена электрическими выводами на обоих концах и выполнена из металла высокой проводимости (например, меди, алюмини ) или высокой магнитной проницаемости (например, тонколистовое железо, пермаллой). Друга  лента снабжена по меньшей мере одним выводом на конце и выполнена из металла высокой магнитной проницаемости.

Лента с двум  выводами выполн ет роль индуктивности и одновременно служит одной обкладкой конденсатора. Другой обкладкой  вл етс  втора  лента: она одновременно служит ферромагнитным сердечником дл  ленты с двум  выводами, увеличива  индуктивность последней. При этом суммарные индуктивность и емкость фильтра оказываютс  распределенными по длине металлических лент, а сам фильтр представл ет собой совокупность элементарных фильтров нижних частот, имеющих индуктивность U и емкость Ci на каждом участке металлических лент 1.

Однако спиральна  намотка (корпусной

металлической ленты, один или оба вывода которой соедин ютс  с корпусом РЗА) в известном фильтре резко увеличивает индуктивность указанной ленты. Это приводит к тому, что на высоких и очень высоких частотах элементарные конденсаторы Ci, образованные удаленными от выходного конца фильтра участками металлических лент с диэлектрической прокладкой между ними, оказываютс  изолированными от выхода

фильтра индуктивным сопротивлением корпусной металлической ленты. При этом облегчаетс  пр мое проникновение помехи с входа на выход фильтра по паразитной меж- витковой емкости. Поэтому чем дальше от

выходного конца фильтра расположен элементарный конденсатор Ci, тем меньше его вли ние на затухание, вносимое фильтром в диапазоне высоких и очень высоких частот.

В результате на корпусную металлическую ленту тратитс  неоправданно много металла, а сам фильтр имеет довольно большую массу.

Перечисленные недостатки затрудн ют

использование рассмотренного фильтра в автономных системах электропитани , т.е. как раз там, где незаменим легкий, простой по конструкции малогабаритный сетевой фильтр с высокой эффективностью подавлени  помех в диапазоне высоких и очень высоких частот.

Целью изобретени   вл етс  уменьшение массы и металлоемкости малогабаритного сетевого помехоподавл ющего

фильтра при обеспечении затухани , вносимого фильтром на высоких и очень высоких частотах.

Поставленна  цель достигаетс  тем, что в малогабаритном сетевом помехоподавл ющем фильтре, состо щем из двух металлических лент и чередующихс  с ними диэлектрических прокладок, наложенных одна на другую по всей длине и свернутых в рулон, причем одна из металлических лент

снабжена электрическими выводами на обоих концах, а друга  снабжена по меньшей мере одним выводом на конце, расположенном внутри рулона, последн   выполнена с уменьшающейс  шириной от центра рулона

к его наружной поверхности. При этом вывод второй из упом нутых лент, расположенный внутри рулона, прикреплен к более широкому концу этой ленты.

При выполнении одной из двух металлических лент с уменьшающейс  шириной

площадь этой ленты уменьшаетс  вдвое (дл  ленты в виде треугольника), что влечет за собой такое же уменьшение массы и расхода металлической ленты. При этом установлено , что затухание, вносимое предлагаемым фильтром на высоких и очень высоких частотах, обеспечиваетс  по меньшей мере не хуже, чем у известного фильтра .

Однако у предлагаемого фильтра уменьшение его массы и металлоемкости при обеспечении затухани , вносимого фильтром на высоких и очень высоких частотах, не будет иметь место при произвольном уменьшении размеров и площади одной из металлических лент.

Если, например, форму указанной ленты оставить пр моугольной и сделать последнюю более узкой так, чтобы площадь этой ленты осталась равной площади ленты с уменьшающейс  шириной, то при этом масса и металлоемкость фильтра уменьшаютс , однако затухание фильтра на высоких и очень высоких частотах упадет. Это св зано с тем, что с уменьшением ширины проводника пр моугольной формы увеличиваетс  его индуктивность, поэтому в области высоких и очень высоких частот заметно возрастет нежелательный эффект изол ции элементарных конденсаторов, удаленных от выходного конца фильтра. Кроме того, вдвое упадет емкость тех элементарных конденсаторов, которые расположены близко к выходному концу фильтра и которые поэтому наиболее эффективно шунтируют токи помехи. Это приведет к уменьшению затухани , вносимого фильтром на высоких и очень высоких частотах, в результате чего цель изобретени  в таком фильтре не будет достигнута.

Аналогичный эффект будет иметь место, если земл ную ленту сделать, например, более короткой при одинаковой ширине с другой лентой так, чтобы площадь этой ленты , как и в предыдущем примере, осталась бы равной площади ленты с уменьшающейс  шириной. Уменьшение затухани  произойдет из-за того, что исчезнет вклад в подавление помех тех элементарных конденсаторов , которые были расположены близко к входному концу фильтра. В результате цель изобретени  также не будет достигнута .

Если например, в предлагаемом фильтре обе ленты выполнить с уменьшающейс  шириной, то уменьшитс  допустима  величина силового низкочастотного тока из-за уменьшени  площади поперечного сечени  проводника. Кроме того, на узком участке такой ленты резко увеличитс  токова  нагрузка , что, по-видимому, будет вызывать местный перегрев в точке соединени  металлической ленты и входного вывода фильтра и приведет к ненужным или

недопустимым потер м из-за большого падени  напр жени  на этом участке ленты. Чтобы избежать этих нежелательных  влений придетс  включать несколько таких фильтров параллельно, что увеличит суммарную емкость фильтра и ток утечки, а также приведет не к экономии металла, а к повышению его расхода на установку дополнительных фильтров. В результате цель изобретени  все равно не будет достигнута.

Поэтому положительный эффект в изобретении достигаетс  только перечисленной совокупностью существенных признаков. Ни один из отдельно вз тых признаков либо ина  их совокупность, как было

показано, не позвол ет получить положительный эффект, т.е. уменьшение массы и металлоемкости малогабаритного сетевого помехоподавл ющего фильтра при обеспечении затухани , вносимого фильтром на

высоких и очень высоких частотах.

На фиг.1 представлены элементы конструкции предлагаемого фильтра; на фиг.2 - график затухани  известного фильтра (крива  1) и предлагаемого фильтра (крива  2)

дл  случа , когда одна из металлических лент каждого фильтра изготовлена из пермалло ; на фиг.З - график затухани  известного фильтра (крива  1), предлагаемого фильтра (крива  2) и фильтра с укороченной

корпусной металлической лентой (крива  3) дл  случа , когда обе металлические ленты каждого фильтра изготовлены из меди.

Малогабаритный сетевой помехоподав- л ющий фильтр (фиг.1) состоит из двух металлических лент 1 и 2 и чередующихс  с ними диэлектрических прокладок 3 и 4, наложенных одна на другую по всей длине.

Одна из металлических лент 1 имеет пр моугольную форму и снабжена электрическими выводами 5 и 6 на обоих концах. Втора  лента 2 выполнена с уменьшающейс  шириной и снабжена по меньшей мере одним выводом 7 на более широком конце. Геометрически лента 2 представл ет собой

треугольник или трапецию.

Ленты 1 и 2 могут быть выполнены из металла высокой проводимости (например, меди, алюмини ) или из металла с высокой магнитной проницаемостью (например,

тонколистового железа, пермаллой и т.д). При значительном (до нескольких ампер) силовом токе, протекающем через фильтр, ленту 1 предпочтительно выполнить из металла высокой проводимости.

Между внутренними поверхност ми металлических лент 1 и 2 размещена диэлектрическа  прокладка 3. На наружной поверхности ленты 1 находитс  диэлектрическа  прокладка 4. Обе прокладки 3 и 4 могут быть выполнены из фторопласта, конденсаторной бумаги и т.д.

При сборке фильтра стопку из ленты 2, прокладки 3, ленты 1 и прокладки 4 скручивают в плотную спираль подобно фотопленке до получени  цилиндра с высотой, равной ширине ленты 1. При этом прокладка 4 оказываетс  расположенной и между наружными поверхност ми лент 1 и 2.

Таким образом, предлагаемый фильтр состоит из катушки, образованной металлической лентой 1 с выводами 5 и 6 на концах ленты, и конденсатора, образованного внутренними поверхност ми лент 1 и 2 с диэлектрической прокладкой 3 между ними. Емкость конденсатора распределена по длине лент 1 и 2. Индуктивность упом нутой катушки определ етс  геометрией ленты 1 (отношением длины к ширине), количеством витков свернутого в рулон фильтра и материалом ленты 2 (так как последн   служит, кроме всего прочего, и сердечником дл  ленты 1 в собранном фильтре).

Емкость фильтра зависит от площади ленты 2 (так как площадь ленты 1 заведомо больше) и от толщины и диэлектрической проницаемости прокладки 3.

Фильтр работает следующим образом.

После включени  фильтра между питающей сетью и нагрузкой по ленте 1 между выводами 5 и 6 протекает силовой ток, потребл емый нагрузкой.

При возникновении на входе фильтра сетевой импульсной или радиопомехи ее энерги  распростран етс , в основном, между внутренними поверхност ми лент 1 и 2, которые на каждом участке длины образуют элементарный LC-фильтр с индуктивностью LI и емкостью Cj. Так как лента 2 имеет малую ширину на участках, расположенных близко от входного конца фильтра, то на этих участках величина U больше, а величина С| меньше, чем у известного фильтра . По мере продвижени  к выходному концу фильтра величина U монотонно уменьшаетс , а величина d возрастает, приближа сь , соответственно сверху и снизу к значени м U и Ci известного фильтра.

Частота среза элементарного фильтра определ етс  произведением L С, поэтому в предлагаемом фильтре эта частота остаетс  примерно одинаковой по всей длине ленты 2 и равной частоте среза известного фильтра.

По этой причине затухание сетевой помехи в диапазоне высоких и очень высоких частот будет в предлагаемом фильтре примерно таким же, как у известного фильтра, В

тоже врем  вдвое уменьшаетс  расходметал- ла на корпусную ленту 2 фильтра, что заметно уменьшает массу фильтра и его стоимость.

На фиг.2 показано затухание известного фильтра (крива  1) и затухание предлагаемого фильтра (крива  2) в диапазоне высоких частот дл  первой модификации фильтра: корпусна  лента 2 в обоих фильтрах изготовлена из пермалло  марки 50Н толщиной 50 мкм. Лента 1 изготовлена из

меди толщиной 45 мкм и шириной 15 мм. Длина ленты 1 и 2 равна 0,5 м. У известного фильтра лента 2 выполнена в виде пр моугольника шириной 15 мм, у предлагаемого фильтра - в виде треугольника с основанием

15 мм. Прокладки 3 и 4 выполнены из конденсаторной бумаги толщиной примерно 30 мкм. Ленты вместе с прокладками перед намоткой фильтра расположены так, как показано на фиг.1. Намотка фильтров производитс  с нат жением на оправке диаметром 8 мм.

Затухание измер етс  в соответствии с методом отношени  напр жени  по несимметричной схеме измерени  при активной

нагрузке 50 Ом.

Из фиг.2 видно, что на частотах 10-15 МГц (в полосе Ah 5 МГц) у предлагаемого фильтра наблюдаетс  выигрыш до 10 дБ во вносимом затухании по сравнению с известным фильтром. На частотах 15-50 МГц (в полосе Af2 35 МГц) наблюдаетс  проигрыш до 10 дБ, на частотах 50-110 МГц (в полосе Дтз 60 МГц) - выигрыш до 7 дБ. Поэтому в целом по диапазону высоких и

очень высоких частот предлагаемый фильтр вносит даже несколько большее затухание по сравнению с известным фильтром, так как проигрыш по затуханию наблюдаетс  в полосе Afa 36 МГц, а выигрыш - в более

широкой полосе Afi + Afa 65 МГц.

На фиг.З показано затухание известного фильтра (крива  1), предлагаемого фильтра (крива  2) и затухание фильтра с укороченной лентой 2 (крива  3)в диапазоне

высоких и очень высоких частот дл  второй модификации фильтра, когда во всех трех фильтрах обе металлические ленты выполнены из меди. Толщина лент 45 мкм, длина 0,5м (дл  первых двух фильтров), ширина 15

мм. Длина ленты 2 в третьем фильтре равна 0,25 м. Во втором фильтре лента 2 выполнена в виде треугольника с основанием 15 мм и высотой 0,5 м. Прокладки 3 и 4 во всех трех

фильтрах выполнены из конденсаторной бумаги толщиной примерно 30 мкм.

Из фиг.З видно, что затухание предлагаемого фильтра (крива  2) в диапазоне высоких и очень высоких частот практически такое же, как у известного фильтра (крива  1). Видно также, что затухание фильтра с укороченной лентой 2 (крива  3) в низкочастотной области диапазона высоких частот значительно меньше, чем у предлагаемого и у известного фильтров.

Таким образом, выполнение ленты 2 с уменьшающейс  шириной обеспечивает сверхсуммарный эффект, который заключаетс  в уменьшении массы фильтра, а также расхода металлической ленты на его изготовление при обеспечении затухани , вносимого фильтром в диапазоне высоких и очень высоких частот.

При этом становитс  меньше и ток утечки фильтра, так как уменьшаетс  емкость фильтра из-за уменьшени  площади одной из обкладок конденсатора.

Claims (3)

1. Сетевой помехоподавл ющий фильтр, состо щий из двух металлических

0

5

лент и чередующихс  с ними диэлектрических прокладок, наложенных одна на другую по всей длине и свернутых в рулон, причем одна из металлических лент снабжена электрическими выводами на обоих концах , а друга  снабжена по меньшей мере одним выводом на конце, расположенном внутри рулона, отличают, и-йс  тем, что, с целью уменьшени  массы и металлоемкости фильтра при обеспечении затухани , вносимого фильтром на высоких и очень высоких частотах, металлическа  лента, снабженна  по меньше мере одним выводом, выполнена с уменьшающейс  шириной от центра рулона к его наружной поверхности.

2.Фильтр по п. 1,отличающийс  тем, что металлическа  лента, снабженна  по меньшей мере одним выводом, выполнена в виде трапеции.

3.Фильтр по п.1, о т л и ч а ю щ и и с   тем, что металлическа  лента, снабженна  по меньшей мере одним выводом, выполнена в виде пр моугольного треугольника.

/

7

Фиг. 7

605040- 30

zo700

235 Ю 20 30 50 80 W 7 30 toc/ло/ а, МГЦ Фаг. 2

60

5Q-

§u-

H

г j

Редактор С. Пекарь

5 Ю 2030 50 80100130

Частота, мгц Фиг.З

Составитель В. Павловский

Техред М.МоргенталКорректор Н. Ревска