Сетевой помехоподавляющий фильтр Советский патент 1992 года по МПК H02J3/01 

Изобретение относится к электро- и радиотехнике, в частности к фильтрам для подавления помех в цепях питания (сетевые помехоподавляющие фильтры).

Известны сетевые помехоподавляющие 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 представляют собой одну или две Г-образных или П-образ- ных С-цепи. Так как СПФ обычно предназначены для подавления помех в цепях питания с напряжением 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 для обеспечения требуемого затухания применяют 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 напряжения питающей сети, а также увеличивает реактивную нагрузку на генератор.

Каждое из приведенных обстоятельств существенно ограничивает применимость таких СПФ при жестких требованиях к токам утечки, предъявляемых, например, для аппаратуры медицинской техники, и, кроме того, к массе и габаритам СПФ, используемых в автономных сетях электропитания (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 является 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 затухания, вносимого СПФ на высоких и очень высоких частотах. Типичные характеристики СПФ этой группы: масса 20-50 г, объем 0,005-0,01 дм , номинальная емкость 0,01 мкФ. Иными словами, СПФ второй группы позволяют получить выигрыш по основным параметрам в сотни раз.

Известен Т-образный фильтр, состоящий из внешней и внутренней катушек, представляющих собой свернутые в рулон вместе с изоляционной 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, определяющих повышенную величину паразитной проходной емкости.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту к предлагаемому является фильтр подавления помех, состоящий из двух металлических лент и чередующихся 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, алюминия) или высокой магнитной проницаемости (например, тонколистовое железо, пермаллой). Другая лента снабжена по меньшей мере одним выводом на конце и выполнена из металла высокой магнитной проницаемости.

Лента с двумя выводами выполняет роль индуктивности и одновременно служит одной обкладкой конденсатора. Другой обкладкой является вторая лента: она одновременно служит ферромагнитным сердечником для ленты с двумя выводами, увеличивая индуктивность последней. При этом суммарные индуктивность и емкость фильтра оказываются распределенными по длине металлических лент, а сам фильтр представляет собой совокупность элементарных фильтров нижних частот, имеющих индуктивность U и емкость Ci на каждом участке металлических лент 1.

Однако спиральная намотка (корпусной

металлической ленты, один или оба вывода которой соединяются 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, оказываются изолированными от выхода

фильтра индуктивным сопротивлением корпусной металлической ленты. При этом облегчается прямое 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 влияние на затухание, вносимое фильтром в диапазоне высоких и очень высоких частот.

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

Перечисленные недостатки затрудняют

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

Целью изобретения является уменьшение массы и металлоемкости малогабаритного сетевого помехоподавляющего

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

Поставленная цель достигается тем, что в малогабаритном сетевом помехоподавляющем фильтре, состоящем из двух металлических лент и чередующихся 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 другая снабжена по меньшей мере одним выводом на конце, расположенном внутри рулона, последняя выполнена с уменьшающейся шириной от центра рулона

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

При выполнении одной из двух металлических лент с уменьшающейся шириной

площадь этой ленты уменьшается вдвое (для 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, обеспечивается по меньшей мере не хуже, чем у известного фильтра.

Однако у предлагаемого фильтра уменьшение его массы и металлоемкости при обеспечении затухания, 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 прямоугольной и сделать последнюю более узкой так, чтобы площадь этой ленты осталась равной площади ленты с уменьшающейся шириной, то при этом масса и металлоемкость фильтра уменьшаются, однако затухание фильтра на высоких и очень высоких частотах упадет. Это связано с тем, что с уменьшением ширины проводника прямоугольной формы увеличивается его индуктивность, поэтому в области высоких и очень высоких частот заметно возрастет нежелательный эффект изоляции 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 затухания, вносимого фильтром на высоких и очень высоких частотах, в результате чего цель изобретения в таком фильтре не будет достигнута.

Аналогичный эффект будет иметь место, если земляную 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 уменьшающейся шириной. Уменьшение затухания произойдет из-за того, что исчезнет вклад в подавление помех тех элементарных конденсаторов, которые были расположены близко к входному концу фильтра. В результате цель изобретения также не будет достигнута.

Если например, в предлагаемом фильтре обе ленты выполнить с уменьшающейся шириной, то уменьшится допустимая величина силового низкочастотного тока из-за уменьшения площади поперечного сечения проводника. Кроме того, на узком участке такой ленты резко увеличится токовая нагрузка, что, по-видимому, будет вызывать местный перегрев в точке соединения металлической ленты и входного вывода фильтра и приведет к ненужным или

недопустимым потерям из-за большого падения напряжения на этом участке ленты. Чтобы избежать этих нежелательных явлений придется 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 изобретения все равно не будет достигнута.

Поэтому положительный эффект в изобретении достигается только перечисленной совокупностью существенных признаков. Ни один из отдельно взятых признаков либо иная их совокупность, как было

показано, не позволяет получить положительный эффект, т.е. уменьшение массы и металлоемкости малогабаритного сетевого помехоподавляющего фильтра при обеспечении затухания, вносимого фильтром на

высоких и очень высоких частотах.

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

для случая, когда одна из металлических лент каждого фильтра изготовлена из пермаллоя; на фиг.З - график затухания известного фильтра (кривая 1), предлагаемого фильтра (кривая 2) и фильтра с укороченной

корпусной металлической лентой (кривая 3) для случая, когда обе металлические ленты каждого фильтра изготовлены из меди.

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

Одна из металлических лент 1 имеет прямоугольную форму и снабжена электрическими выводами 5 и 6 на обоих концах. Вторая лента 2 выполнена с уменьшающейся шириной и снабжена по меньшей мере одним выводом 7 на более широком конце. Геометрически лента 2 представляет собой

треугольник или трапецию.

Ленты 1 и 2 могут быть выполнены из металла высокой проводимости (например, меди, алюминия) 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 поверхностями металлических лент 1 и 2 размещена диэлектрическая прокладка 3. На наружной поверхности ленты 1 находится диэлектрическая 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 получения цилиндра с высотой, равной ширине ленты 1. При этом прокладка 4 оказывается расположенной и между наружными поверхностями 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 поверхностями лент 1 и 2 с диэлектрической прокладкой 3 между ними. Емкость конденсатора распределена по длине лент 1 и 2. Индуктивность упомянутой катушки определяется геометрией ленты 1 (отношением длины к ширине), количеством витков свернутого в рулон фильтра и материалом ленты 2 (так как последняя служит, кроме всего прочего, и сердечником для 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 включения фильтра между питающей сетью и нагрузкой по ленте 1 между выводами 5 и 6 протекает силовой ток, потребляемый нагрузкой.

При возникновении на входе фильтра сетевой импульсной или радиопомехи ее энергия распространяется, в основном, между внутренними поверхностями 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 продвижения к выходному концу фильтра величина U монотонно уменьшается, а величина d возрастает, приближаясь, соответственно сверху и снизу к значениям U и Ci известного фильтра.

Частота среза элементарного фильтра определяется произведением L С, поэтому в предлагаемом фильтре эта частота остается 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 время вдвое уменьшается расходметал- ла на корпусную ленту 2 фильтра, что заметно уменьшает массу фильтра и его стоимость.

На фиг.2 показано затухание известного фильтра (кривая 1) и затухание предлагаемого фильтра (кривая 2) в диапазоне высоких частот для первой модификации фильтра: корпусная лента 2 в обоих фильтрах изготовлена из пермаллоя 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 прямоугольника 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 производится с натяжением на оправке диаметром 8 мм.

Затухание измеряется в соответствии с методом отношения напряжения по несимметричной схеме измерения при активной

нагрузке 50 Ом.

Из фиг.2 видно, что на частотах 10-15 МГц (в полосе Ah 5 МГц) у предлагаемого фильтра наблюдается выигрыш до 10 дБ во вносимом затухании по сравнению с известным фильтром. На частотах 15-50 МГц (в полосе Af2 35 МГц) наблюдается 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 наблюдается в полосе Afa 36 МГц, а выигрыш - в более

широкой полосе Afi + Afa 65 МГц.

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

высоких и очень высоких частот для второй модификации фильтра, когда во всех трех фильтрах обе металлические ленты выполнены из меди. Толщина лент 45 мкм, длина 0,5м (для 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 (кривая 2) в диапазоне высоких и очень высоких частот практически такое же, как у известного фильтра (кривая 1). Видно также, что затухание фильтра с укороченной лентой 2 (кривая 3) в низкочастотной области диапазона высоких частот значительно меньше, чем у предлагаемого и у известного фильтров.

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

При этом становится меньше и ток утечки фильтра, так как уменьшается емкость фильтра из-за уменьшения площади одной из обкладок конденсатора.

Формула изобретения

1. Сетевой помехоподавляющий фильтр, состоящий из двух металлических

0

5

лент и чередующихся 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 другая снабжена по меньшей мере одним выводом на конце, расположенном внутри рулона, отличают, и-йся тем, что, с целью уменьшения массы и металлоемкости фильтра при обеспечении затухания, вносимого фильтром на высоких и очень высоких частотах, металлическая лента, снабженная по меньше мере одним выводом, выполнена с уменьшающейся шириной от центра рулона к его наружной поверхности.

2.Фильтр по п. 1,отличающийся тем, что металлическая лента, снабженная 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 я тем, что металлическая лента, снабженная по меньшей мере одним выводом, выполнена в виде прямоугольного треугольника.

Изобретение относится к электро- и радиотехнике, в частности к сетевым фильтрам. Цель изобретения -уменьшение массы и металлоемкости фильтра при обеспечении 2 затухания, вносимого фильтром на высоких и очень высоких частотах. Фильтр состоит из двух металлических лент и чередующихся 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. Вторая лента имеет по меньшей мере один (корпусной) вывод на конце. Новым является выполнение второй металлической ленты с уменьшающейся шириной от центра рулона к его наружной поверхности. 2 з.п.ф-лы, 3 ил. .

/

7

Фиг. 7

605040-30

zo700

235 Ю 20 30 50 80 W 7 30 toc/ло/яа, 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. Ревская