eng
Выпуск #8/2009
М.Красильщиков, В.Смирнов, А.Шалаева.
Керамические проходные ФНЧ с малыми потерями
Керамические проходные ФНЧ с малыми потерями
Просмотры: 3439
В настоящее время проблема борьбы с электромагнитными потерями при создании радиоэлектронной аппаратуры стала еще более острой вследствие возрастания функциональных возможностей, миниатюризации, увеличения плотности компоновки и сложности аппаратуры, роста взаимного влияния ее элементов. Наиболее опасными являются кондуктивные помехи, распространяющиеся в проводящих цепях питания, управления, коммутации, а также в цепях полезных сигналов. Для фильтрации таких помех служат помехоподавляющие фильтры нижних частот, к которым и относятся разрабатываемые и выпускаемые ОАО "НИИ "Гириконд" в течение многих лет керамические помехоподавляющие проходные конденсаторы и фильтры.
Фильтры Б25, Б26
Первая серия отечественных проходных помехоподавляющих керамических фильтров Б23Б [1] с использованием в качестве емкостного элемента многослойного монолитного шайбового конденсатора была разработана в 1982 году и до настоящего времени выпускается отечественной промышленностью в больших количествах. Корпус этих фильтров выполнен из керамического материала и имеет низкую механическую прочность. Максимальное номинальное напряжение составляет 250 В, максимальная рабочая температура – 85°С, группа температурной стабильности емкости – Н90. Для комплектования аппаратуры с повышенными требованиями к механической прочности фильтров, рабочей температуре и стабильности емкости разработана и выпускается серия фильтров Б25 с приемками "1" и "5" [9]. Емкостным элементом этих фильтров является многослойный шайбовый монолитный керамический конденсатор (рис.6), что позволяет получать номинальные емкости от 4,7 пФ до 10 мкФ, широкий диапазон значений частот среза и помехоподавления.
Фильтры Б25-1,2 С- и LC-типов имеют керамический корпус таких же размеров, что и Б23Б, и дополняют серию этих фильтров по максимальной рабочей температуре (группы МП0, Н20, Н50 – 125°С), шкале номинальных емкостей и рабочих напряжений.
Фильтры Б25-3 и Б25-4 выпускаются только С-типа, имеют металлический корпус, что делает их механически прочными, удобными при монтаже и эксплуатации. Кроме того, габаритные размеры изделий могут быть уменьшены. Фильтры такой конструкции (типа Bolt Style Epoxy Seals) выпускаются рядом зарубежных фирм [2, 3, 10] и рекомендованы для аппаратуры военного и космического назначения. Фильтры Б25-1,2 и Б25-3 имеют одинаковые группы температурной стабильности емкости и шкалы номинальных емкостей и напряжений.
Фильтры Б25-4 – малогабаритные, в металлическом корпусе, массой всего 1,5 г. Они применимы в случаях, когда критически важны масса и габариты изделия. Небольшие размеры этих фильтров определяют хорошие характеристики помехоподавления в СВЧ-диапазоне.
На рис.7 приведены конструкции, в табл. 4 – размеры, а в табл.5 – шкала номинальных емкостей фильтров Б25.
На зависимостях вносимого затухания фильтров Б25 от частоты, полученных при измерении на приборе "Обзор-103", так же, как и для фильтров Б24 на отдельных частотах наблюдались резонансные пики. При составлении справочных материалов эти пики не учитывались.
Минимальные значения вносимого затухания фильтров Б25 при измерении в схеме с волновым сопротивлением 50 Ом в диапазоне частот до 1 ГГц приведены в табл.6. Для отдельных фильтров Б25-1,2,3 в диапазоне частот от 1000 до 10000 МГц наблюдалось уменьшение вносимого затухания на 10–25% от значений при частоте 1 ГГц. Вносимое затухание фильтров Б25-4 в этом диапазоне частоты было не менее значений при 1 ГГц. С учетом возможных погрешностей при измерениях, максимальное значение вносимого затухания было принято равным 70 дБ.
Накопленный опыт производства и эксплуатации фильтров Б25-3 С-типа позволил разработать новую серию отечественных фильтров Б26 [11] в металлических корпусах С-, LC- и Pi-типов: Б26-1 – С-тип, Б26-2 – LC-тип и Б26-3 – Pi-тип. Они имеют те же группы ТСЕ и максимальную рабочую температуру, что и Б25, пять типоразмеров и три варианта конструкции (а, б и в). Размеры фильтров Б26-1 и Б26-2 варианта "а" практически совпадают с размерами Б25-3, а варианта "б" – с Б25-4 (рис.7, табл.4). За счет применения новых материалов номинальные напряжения фильтров повышены до 1000 В, максимальные емкости – до 22 мкФ. Номинальный ток по сравнению с Б25 увеличен с 10 до 15 А. Шкала номинальных емкостей и напряжений фильтров приведена в табл.7.
Значения вносимого затухания А фильтров Б26-1,2 и Б25-3 с одинаковыми номинальными емкостями практически совпадали. Максимальные значения А имели фильтры Б26-2а с номинальной емкостью 15 и 22 мкФ. Частота среза фильтров с фактической емкостью 23 мкФ составила 300 Гц, а измеренное максимальное значение А приблизилось к пределу измерения прибора и составило 95 дБ.
Крутизна зависимостей А(f) фильтров Б26-1 (С-типа) на линейных участках лежала в пределах 18–23 дБ на декаду.
Фильтры Б26-2 (LC-типа) имели по сравнению с фильтрами Б26-1 более сглаженные зависимости А(f) с крутизной 20–25 дБ на декаду.
Наибольшую крутизну (35–40 дБ на декаду) имеют фильтры Б26-3. В табл.8 приведены значения вносимого затухания этих фильтров. Для наглядности на рис.8 представлены графики зависимости вносимого затухания от частоты фильтров Б26 С-, LC- и Pi-типов с близкими значениями фактической емкости.
Надежность фильтров
Интенсивность отказов λ фильтров в предельно допустимом режиме эксплуатации не превышает 5·10-6 1/ч в течение наработки tλ = 25 тыс. ч в пределах срока службы Тсл = 25 лет.
Интенсивность отказов фильтров в облегченных режимах эксплуатации:
* при температуре 70°С и напряжении 0,6 Uном – не более 2·10-6 1/ч в течение наработки 100 тыс. ч при сроке службы 25 лет;
* при температуре 60°С и напряжении 0,6 Uном – не более 1·10-6 1/ч в течение наработки 150 тыс. ч при сроке службы 25 лет.
Гамма-процентный срок сохраняемости Тсγ фильтров при γ = 99,5 % при хранении в упаковке изготовителя в условиях хранилищ с регулируемыми параметрами атмосферы, а также вмонтированных в защищенную аппаратуру или находящихся в защищенном комплекте ЗИП, во всех местах хранения составляет не менее 25 лет.
Значения Тсγ в отличных от указанных условиях зависят от мест хранения и приводятся в технических условиях.
Рекомендации по эксплуатации
При приложении к выводам 1–3 (см. рис.7) напряжения, большего величины электрической прочности, может произойти или пробой диэлектрика емкостных элементов, или электрический разряд по межэлектродному зазору или корпусу фильтра (так называемое "перекрытие"). Кратковременная и длительная электрическая прочность диэлектрика снижается с повышением температуры. Номинальное напряжение фильтров установлено для максимальной рабочей температуры 85°С. При эксплуатации фильтров при температурах выше этого значения необходимо снижать рабочее напряжение. Напряжение перекрытия зависит от величины давления воздуха или другого газа, окружающего фильтр, и начинает уменьшаться в диапазоне от 40 до 0,01 мм рт. ст. Это необходимо учитывать для фильтров с номинальным напряжением 500 В и выше.
Фильтры Б25, Б26 и Б24В монтируют в аппаратуру как непосредственно в резьбовые отверстия панелей, так и при помощи гаек, навинчиваемых на вывод 3 (см. рис.7). При электрическом соединении пайкой выводов 1 и 2 фильтров рекомендуется применять припой ПОС 61. Время пайки не более 4 с. Температура жала паяльника (260±5)°С. Паять выводы следует на расстоянии не менее 3 мм от корпуса. Изгиб и скручивание выводов 1 и 2 фильтров не допускается.
При эксплуатации фильтров в условиях длительного воздействия вибрационных нагрузок, во избежание самопроизвольного вывинчивания из резьбовых отверстий, крепление фильтров в аппаратуре следует производить с помощью контргаек или использовать дополнительную приклейку.
В заключение следует сказать, что разработанные и серийно выпускаемые помехоподавляющие фильтры Б24 и Б25 категории качества ВП имеют широкий диапазон номинальных емкостей, напряжений и групп температурной стабильности емкости. Фильтры Б25-3 в металлическом корпусе типа "Болт" отвечают повышенным требованиям к механической устойчивости и в ряде случаев позволили отказаться от применения импортных аналогов. Малые размеры фильтров Б25-4 позволили расширить диапазон применения в области СВЧ.
Применение современного компьютеризированного оборудования для исследования амплитудно-частотных характеристик фильтров позволило получить более точные зависимости вносимого затухания от частоты с гарантируемой погрешностью измерения.
Авторы надеются, что приведенные в статье сведения позволят разработчикам аппаратуры лучше ориентироваться при выборе помехоподавляющих фильтров нижних частот и готовы откликнуться на все замечания и пожелания.
Литература
1. Воловик М., Смирнов В. Керамические проходные конденсаторы и фильтры нижних частот.– ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2004, №7, с 36–40.
2. EMI Filtering. Product Guide, каталог фирмы Spectrum Control inc, USA.
3. Filtres "EMI-RFI" Filters, каталог фирмы Eurofarad Франция.
4. Кечиев Л.Н., Бобков А.Л., Степанов П.В. Помехоподавляющие фильтры. Методы проектирования. – М.: МИЭМ, 1999.
5. Джуринский К. Отечественные и зарубежные помехоподавляющие фильтры для микроэлектроники СВЧ, какие лучше? – ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2005, №1, с. 42–45.
6. Пассивные помехоподавляющие фильтры и элементы. Методы измерения вносимого затухания. ГОСТ 13661-92. Комитет стандартизации и метрологии СССР, Москва.
7. Фильтры нижних частот Б24, Б24-1. Технические условия АЖЯР.431 145.003ТУ 2008.
8. Filters EMI-RFI, каталог фирмы Tusonix.
9. Фильтры нижних частот Б25. Технические условия АЖЯР.431 145.001 ТУ 2008.
10. EMI filter application manual. Catalog No.61-08, Murata Erie North America, INC.
11. Фильтры нижних частот Б26. Технические условия АЖЯР.431 145.005 ТУ 2009.
* Продолжение. Начало – см.: ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2009, № 7, с. 28–32.
Первая серия отечественных проходных помехоподавляющих керамических фильтров Б23Б [1] с использованием в качестве емкостного элемента многослойного монолитного шайбового конденсатора была разработана в 1982 году и до настоящего времени выпускается отечественной промышленностью в больших количествах. Корпус этих фильтров выполнен из керамического материала и имеет низкую механическую прочность. Максимальное номинальное напряжение составляет 250 В, максимальная рабочая температура – 85°С, группа температурной стабильности емкости – Н90. Для комплектования аппаратуры с повышенными требованиями к механической прочности фильтров, рабочей температуре и стабильности емкости разработана и выпускается серия фильтров Б25 с приемками "1" и "5" [9]. Емкостным элементом этих фильтров является многослойный шайбовый монолитный керамический конденсатор (рис.6), что позволяет получать номинальные емкости от 4,7 пФ до 10 мкФ, широкий диапазон значений частот среза и помехоподавления.
Фильтры Б25-1,2 С- и LC-типов имеют керамический корпус таких же размеров, что и Б23Б, и дополняют серию этих фильтров по максимальной рабочей температуре (группы МП0, Н20, Н50 – 125°С), шкале номинальных емкостей и рабочих напряжений.
Фильтры Б25-3 и Б25-4 выпускаются только С-типа, имеют металлический корпус, что делает их механически прочными, удобными при монтаже и эксплуатации. Кроме того, габаритные размеры изделий могут быть уменьшены. Фильтры такой конструкции (типа Bolt Style Epoxy Seals) выпускаются рядом зарубежных фирм [2, 3, 10] и рекомендованы для аппаратуры военного и космического назначения. Фильтры Б25-1,2 и Б25-3 имеют одинаковые группы температурной стабильности емкости и шкалы номинальных емкостей и напряжений.
Фильтры Б25-4 – малогабаритные, в металлическом корпусе, массой всего 1,5 г. Они применимы в случаях, когда критически важны масса и габариты изделия. Небольшие размеры этих фильтров определяют хорошие характеристики помехоподавления в СВЧ-диапазоне.
На рис.7 приведены конструкции, в табл. 4 – размеры, а в табл.5 – шкала номинальных емкостей фильтров Б25.
На зависимостях вносимого затухания фильтров Б25 от частоты, полученных при измерении на приборе "Обзор-103", так же, как и для фильтров Б24 на отдельных частотах наблюдались резонансные пики. При составлении справочных материалов эти пики не учитывались.
Минимальные значения вносимого затухания фильтров Б25 при измерении в схеме с волновым сопротивлением 50 Ом в диапазоне частот до 1 ГГц приведены в табл.6. Для отдельных фильтров Б25-1,2,3 в диапазоне частот от 1000 до 10000 МГц наблюдалось уменьшение вносимого затухания на 10–25% от значений при частоте 1 ГГц. Вносимое затухание фильтров Б25-4 в этом диапазоне частоты было не менее значений при 1 ГГц. С учетом возможных погрешностей при измерениях, максимальное значение вносимого затухания было принято равным 70 дБ.
Накопленный опыт производства и эксплуатации фильтров Б25-3 С-типа позволил разработать новую серию отечественных фильтров Б26 [11] в металлических корпусах С-, LC- и Pi-типов: Б26-1 – С-тип, Б26-2 – LC-тип и Б26-3 – Pi-тип. Они имеют те же группы ТСЕ и максимальную рабочую температуру, что и Б25, пять типоразмеров и три варианта конструкции (а, б и в). Размеры фильтров Б26-1 и Б26-2 варианта "а" практически совпадают с размерами Б25-3, а варианта "б" – с Б25-4 (рис.7, табл.4). За счет применения новых материалов номинальные напряжения фильтров повышены до 1000 В, максимальные емкости – до 22 мкФ. Номинальный ток по сравнению с Б25 увеличен с 10 до 15 А. Шкала номинальных емкостей и напряжений фильтров приведена в табл.7.
Значения вносимого затухания А фильтров Б26-1,2 и Б25-3 с одинаковыми номинальными емкостями практически совпадали. Максимальные значения А имели фильтры Б26-2а с номинальной емкостью 15 и 22 мкФ. Частота среза фильтров с фактической емкостью 23 мкФ составила 300 Гц, а измеренное максимальное значение А приблизилось к пределу измерения прибора и составило 95 дБ.
Крутизна зависимостей А(f) фильтров Б26-1 (С-типа) на линейных участках лежала в пределах 18–23 дБ на декаду.
Фильтры Б26-2 (LC-типа) имели по сравнению с фильтрами Б26-1 более сглаженные зависимости А(f) с крутизной 20–25 дБ на декаду.
Наибольшую крутизну (35–40 дБ на декаду) имеют фильтры Б26-3. В табл.8 приведены значения вносимого затухания этих фильтров. Для наглядности на рис.8 представлены графики зависимости вносимого затухания от частоты фильтров Б26 С-, LC- и Pi-типов с близкими значениями фактической емкости.
Надежность фильтров
Интенсивность отказов λ фильтров в предельно допустимом режиме эксплуатации не превышает 5·10-6 1/ч в течение наработки tλ = 25 тыс. ч в пределах срока службы Тсл = 25 лет.
Интенсивность отказов фильтров в облегченных режимах эксплуатации:
* при температуре 70°С и напряжении 0,6 Uном – не более 2·10-6 1/ч в течение наработки 100 тыс. ч при сроке службы 25 лет;
* при температуре 60°С и напряжении 0,6 Uном – не более 1·10-6 1/ч в течение наработки 150 тыс. ч при сроке службы 25 лет.
Гамма-процентный срок сохраняемости Тсγ фильтров при γ = 99,5 % при хранении в упаковке изготовителя в условиях хранилищ с регулируемыми параметрами атмосферы, а также вмонтированных в защищенную аппаратуру или находящихся в защищенном комплекте ЗИП, во всех местах хранения составляет не менее 25 лет.
Значения Тсγ в отличных от указанных условиях зависят от мест хранения и приводятся в технических условиях.
Рекомендации по эксплуатации
При приложении к выводам 1–3 (см. рис.7) напряжения, большего величины электрической прочности, может произойти или пробой диэлектрика емкостных элементов, или электрический разряд по межэлектродному зазору или корпусу фильтра (так называемое "перекрытие"). Кратковременная и длительная электрическая прочность диэлектрика снижается с повышением температуры. Номинальное напряжение фильтров установлено для максимальной рабочей температуры 85°С. При эксплуатации фильтров при температурах выше этого значения необходимо снижать рабочее напряжение. Напряжение перекрытия зависит от величины давления воздуха или другого газа, окружающего фильтр, и начинает уменьшаться в диапазоне от 40 до 0,01 мм рт. ст. Это необходимо учитывать для фильтров с номинальным напряжением 500 В и выше.
Фильтры Б25, Б26 и Б24В монтируют в аппаратуру как непосредственно в резьбовые отверстия панелей, так и при помощи гаек, навинчиваемых на вывод 3 (см. рис.7). При электрическом соединении пайкой выводов 1 и 2 фильтров рекомендуется применять припой ПОС 61. Время пайки не более 4 с. Температура жала паяльника (260±5)°С. Паять выводы следует на расстоянии не менее 3 мм от корпуса. Изгиб и скручивание выводов 1 и 2 фильтров не допускается.
При эксплуатации фильтров в условиях длительного воздействия вибрационных нагрузок, во избежание самопроизвольного вывинчивания из резьбовых отверстий, крепление фильтров в аппаратуре следует производить с помощью контргаек или использовать дополнительную приклейку.
В заключение следует сказать, что разработанные и серийно выпускаемые помехоподавляющие фильтры Б24 и Б25 категории качества ВП имеют широкий диапазон номинальных емкостей, напряжений и групп температурной стабильности емкости. Фильтры Б25-3 в металлическом корпусе типа "Болт" отвечают повышенным требованиям к механической устойчивости и в ряде случаев позволили отказаться от применения импортных аналогов. Малые размеры фильтров Б25-4 позволили расширить диапазон применения в области СВЧ.
Применение современного компьютеризированного оборудования для исследования амплитудно-частотных характеристик фильтров позволило получить более точные зависимости вносимого затухания от частоты с гарантируемой погрешностью измерения.
Авторы надеются, что приведенные в статье сведения позволят разработчикам аппаратуры лучше ориентироваться при выборе помехоподавляющих фильтров нижних частот и готовы откликнуться на все замечания и пожелания.
Литература
1. Воловик М., Смирнов В. Керамические проходные конденсаторы и фильтры нижних частот.– ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2004, №7, с 36–40.
2. EMI Filtering. Product Guide, каталог фирмы Spectrum Control inc, USA.
3. Filtres "EMI-RFI" Filters, каталог фирмы Eurofarad Франция.
4. Кечиев Л.Н., Бобков А.Л., Степанов П.В. Помехоподавляющие фильтры. Методы проектирования. – М.: МИЭМ, 1999.
5. Джуринский К. Отечественные и зарубежные помехоподавляющие фильтры для микроэлектроники СВЧ, какие лучше? – ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2005, №1, с. 42–45.
6. Пассивные помехоподавляющие фильтры и элементы. Методы измерения вносимого затухания. ГОСТ 13661-92. Комитет стандартизации и метрологии СССР, Москва.
7. Фильтры нижних частот Б24, Б24-1. Технические условия АЖЯР.431 145.003ТУ 2008.
8. Filters EMI-RFI, каталог фирмы Tusonix.
9. Фильтры нижних частот Б25. Технические условия АЖЯР.431 145.001 ТУ 2008.
10. EMI filter application manual. Catalog No.61-08, Murata Erie North America, INC.
11. Фильтры нижних частот Б26. Технические условия АЖЯР.431 145.005 ТУ 2009.
* Продолжение. Начало – см.: ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2009, № 7, с. 28–32.
Отзывы читателей
