eng
Выпуск #6/2019
В. Смирнов , А. Харитонов, А. Шалаева, А. Сак
Отечественные помехоподавляющие керамические фильтры Б33 для поверхностного монтажа
Отечественные помехоподавляющие керамические фильтры Б33 для поверхностного монтажа
Просмотры: 2702
DOI: 10.22184/1992-4178.2019.187.6.120.127
На базе современных керамических материалов, технологий и оборудования в АО «НИИ «Гириконд» разработаны и освоены в производстве помехоподавляющие керамические фильтры Б33 для поверхностного монтажа С-типа. В статье рассмотрены конструкция, параметры и особенности применения этих устройств.
На базе современных керамических материалов, технологий и оборудования в АО «НИИ «Гириконд» разработаны и освоены в производстве помехоподавляющие керамические фильтры Б33 для поверхностного монтажа С-типа. В статье рассмотрены конструкция, параметры и особенности применения этих устройств.
Теги: ceramic noise-suppression filter chip capacitor cutoff frequenc impedance-frequency characteristic insertion loss вносимое затухание керамический помехоподавляющий фильтр частота среза частотная зависимость полного сопротивления чип-конденсатор
Отечественные помехоподавляющие керамические фильтры Б33
для поверхностного монтажа
В. Смирнов , к. т. н., А. Харитонов1, А. Шалаева2, А. Сак3
За последние годы в АО «НИИ «Гириконд» была разработана серия керамических помехоподавляющих фильтров в корпусном исполнении Б25, Б26, Б27, Б30. Однако по мере увеличения плотности компоновки элементной базы для подавления помех во вторичных цепях постоянного тока у отечественной промышленности появилась потребность в керамических фильтрах для поверхностного монтажа. На базе современных керамических материалов, технологий и оборудования в АО «НИИ «Гириконд» разработаны и освоены в производстве помехоподавляющие керамические фильтры Б33 для поверхностного монтажа С‑типа. Рассмотрим конструкцию, параметры и особенности применения предлагаемых устройств.
Фильтры Б33 – это многослойные трехвыводные керамические чип-конденсаторы (рис. 1). Два вывода (1 и 2), соединенные с проходными электродами, расположены на противоположных торцевых поверхностях, третий вывод (3) для отвода помех на землю находится по центру боковых поверхностей. Чип-фильтры выпускаются в шести габаритных размерах: 1,6 × 0,8; 2 × 1,25; 3,2 × 1,25; 3,2 × 1,6; 4,5 × 1,6 и 5,7 × 5,0 мм[1].
Планируется также дополнить линейку устройством габаритами 4,5 × 3,2 мм.
В производстве фильтров Б33 используется высокопроизводительное оборудование словенской компании КЕКО (рис. 2). Оно позволяет одновременно обрабатывать групповые пакеты, состоящие из 11 000 заготовок фильтров размером 1,6 × 0,8 мм и 500 заготовок размером 5,7 × 5,0 мм.
Внутренние электроды фильтров изготовлены на основе сплава, состоящего из 70% серебра и 30% палладия, внешние электроды (контактные площадки) – из серебра, никеля и олова. Фильтры предлагаются в трех группах температурной стабильности (ТСЕ): МП0, Н20 и Н50 с рабочими температурами от –60 до 125˚С. В качестве материала диэлектрика для всех групп ТСЕ использованы созданные в АО «НИИ «Гириконд» керамические материалы с диэлектрической проницаемостью ε = 29 и 90 по группе МП0, ε = 3 100–3 700 по группе Н20 и ε = 4 500 по группе Н50.
В табл. 1 представлены основные параметры фильтров, в том числе группы ТСЕ, номинальные емкости, напряжения и токи для всех габаритных размеров, а также дано сравнение с зарубежными аналогами. Введение габаритного размера 5,7 × 5,0 мм, снятого с производства зарубежными компаниями, объясняется востребованностью данного варианта исполнения в отечественной радиоаппаратуре.
Частотная зависимость полного сопротивления Z фильтров приведена на рис. 3. Она имеет U‑образную форму, в левой ветви которой Z уменьшается пропорционально частоте и достигает минимального значения на частоте собственного последовательного резонанса ƒрез. На этой частоте величины емкостного и индуктивного реактивных сопротивлений равны и противоположны по знаку, а результирующее реактивное сопротивление равно нулю. На частоте ƒрез общий импеданс равен эквивалентному последовательному сопротивлению Rэпс, которое определяется активным сопротивлением электродов и контактных узлов. На частотах ниже ƒрез полное сопротивление Z определяется емкостью, а на частотах выше ƒрез – индуктивностью, увеличиваясь пропорционально частоте. Помехоподавление обеспечивается при помощи отведения помехи на землю через сопротивление Rэпс.
Основная характеристика помехоподавления фильтра – вносимое затухание А, которое вычисляется по формуле:
А = 20 lg U1 / U2, (1)
где U1 – напряжение в цепи без фильтра, U2 – напряжение с установленным фильтром.
На рис. 4 приведена АЧХ вносимого затухания, рассчитанная по формуле (1). Она соответствует частотной зависимости полного сопротивления Z (см. рис. 3): на частоте собственного последовательного резонанса ƒрез, где Z имеет минимальное значение, вносимое затухание достигает максимального значения. Иногда за U1 принимают напряжение в цепи с фильтром, а за U2 – напряжение без фильтра. От этого зависит, будет повышаться или уменьшаться вносимое затухание по мере увеличения частоты, и соответственно графические изображения их динамики.
Помимо открытого монтажа, при котором вносимое затухание фильтров начинает снижаться сразу после частоты ƒрез, существует метод экранированного монтажа, позволяющий значительно повысить величину вносимого затухания относительно частоты резонанса.
Характер АЧХ (рис. 5) при этом подобен АЧХ навесных фильтров в металлических корпусах с резьбовым креплением. Для применения данного способа монтажа следует разделять проходные выводы фильтра металлической перегородкой. Однако в силу сложности метод экранированного монтажа не находит широкого применения [2].
Вносимое затухание в диапазоне частот от 0,3 до 3 200 МГц определялось с помощью измерителей комплексных коэффициентов передачи «Обзор‑103» и «Обзор‑304». Фильтры, смонтированные в соответствии с их габаритными размерами на специальные платы, были установлены в контейнер для измерения вносимого затухания (рис. 6). Соответствие контейнера требованиям ГОСТ [3] по КСВн (коэффициент стоячей волны не более 1,5) позволило повысить точность измерения характеристик АЧХ.
Приборы «Обзор» предназначены для измерения комплексных S‑параметров, из которых вносимому затуханию соответствует коэффициент передачи S21, который определяется как отношение напряжения выходного сигнала без фильтра к напряжению с подключенным фильтром. По значению S21 на частоте резонанса было определено эквивалентное последовательное сопротивление Rэпс (см. рис. 3) по следующей формуле:
(Ом). (2)
На рис. 7 и 8 приведены полученные с помощью этих приборов АЧХ фильтров емкостью 47 пФ и 2,2 мкФ.
Для фильтров Б33 более удобной и информативной оказалась табличная форма представления АЧХ (табл. 2). Так как фактические значения емкости фильтров отличаются от их номинального значения в пределах допустимого отклонения, для минимизации погрешности при обработке результатов значения резонансной частоты ƒрез были пересчитаны для каждого значения номинальной емкости.
Частота среза АЧХ, при которой вносимое затухание А равняется 3 дБ, достаточно точно соответствовала соотношению:
ƒc = 1 / π R C, (3)
где ƒc – частота среза (Гц), R – сопротивление измерительной системы (50 Ом), С – емкость фильтра (Ф).
Зависимость частоты среза от Сном представлена на рис. 9.
Значения параметров помехоподавления А, Арез, ƒc, ƒрез в основном зависят от фактических значений емкости, на которых, в свою очередь, оказывают влияние окружающая температура и рабочее напряжение. Емкость фильтров группы МП0 не зависит ни от температуры, ни от напряжения. Фильтры групп Н20, Н50 изготовлены на основе титаната бария с различными добавками. Такие керамические материалы отличаются высокой диэлектрической проницаемостью и сильно выраженной зависимостью емкости от температуры и постоянного напряжения. Поэтому для фильтров Б33 не применялись материалы групп Н70 и Н90, где такие зависимости максимальны. Исходя из вышесказанного для получения наиболее точных значений параметров А, Арез, ƒc, ƒрез следует в табл. 2 вместо значений Сном использовать фактические значения емкости. Зависимости емкости фильтров групп Н20, Н50 от температуры и постоянного напряжения представлены на рис. 10 и 11.
Для чип-фильтров, как и обычных керамических конденсаторов, характерна низкая теплопроводность. При их резком нагревании или охлаждении температура корпуса фильтра в разных точках различается, что приводит к механическим напряжениям, может вызвать трещины и разрушение. Особенно это критично для фильтров групп ТСЕ Н20, Н50. Поэтому при пайке устройств необходимо предусмотреть их постепенный нагрев, как и для обычных керамических конденсаторов этих групп.
В заключение следует отметить, что фильтры Б33 не уступают импортным аналогам по своим характеристикам, отличаются высокими значениями вносимого затухания, освоены АО «НИИ «Гириконд» в производстве с приемкой ОТК и могут использоваться в рамках импортозамещения. Выпуск продукции с приемкой ВП запланирован на 2020 год.
ЛИТЕРАТУРА
Фильтры нижних частот Б33, технические условия АДПК. 431145.007 ТУ.
www.knowlescapacitors.com/getattachment/Products/
EMI-Filters/SMD-C-Filters/EMI-Filters.pdf.aspx
Пассивные помехоподавляющие фильтры и элементы. Методы измерения вносимого затухания. ГОСТ 13661-92, Комитет стандартизации и метрологии СССР, Москва.
для поверхностного монтажа
В. Смирнов , к. т. н., А. Харитонов1, А. Шалаева2, А. Сак3
За последние годы в АО «НИИ «Гириконд» была разработана серия керамических помехоподавляющих фильтров в корпусном исполнении Б25, Б26, Б27, Б30. Однако по мере увеличения плотности компоновки элементной базы для подавления помех во вторичных цепях постоянного тока у отечественной промышленности появилась потребность в керамических фильтрах для поверхностного монтажа. На базе современных керамических материалов, технологий и оборудования в АО «НИИ «Гириконд» разработаны и освоены в производстве помехоподавляющие керамические фильтры Б33 для поверхностного монтажа С‑типа. Рассмотрим конструкцию, параметры и особенности применения предлагаемых устройств.
Фильтры Б33 – это многослойные трехвыводные керамические чип-конденсаторы (рис. 1). Два вывода (1 и 2), соединенные с проходными электродами, расположены на противоположных торцевых поверхностях, третий вывод (3) для отвода помех на землю находится по центру боковых поверхностей. Чип-фильтры выпускаются в шести габаритных размерах: 1,6 × 0,8; 2 × 1,25; 3,2 × 1,25; 3,2 × 1,6; 4,5 × 1,6 и 5,7 × 5,0 мм[1].
Планируется также дополнить линейку устройством габаритами 4,5 × 3,2 мм.
В производстве фильтров Б33 используется высокопроизводительное оборудование словенской компании КЕКО (рис. 2). Оно позволяет одновременно обрабатывать групповые пакеты, состоящие из 11 000 заготовок фильтров размером 1,6 × 0,8 мм и 500 заготовок размером 5,7 × 5,0 мм.
Внутренние электроды фильтров изготовлены на основе сплава, состоящего из 70% серебра и 30% палладия, внешние электроды (контактные площадки) – из серебра, никеля и олова. Фильтры предлагаются в трех группах температурной стабильности (ТСЕ): МП0, Н20 и Н50 с рабочими температурами от –60 до 125˚С. В качестве материала диэлектрика для всех групп ТСЕ использованы созданные в АО «НИИ «Гириконд» керамические материалы с диэлектрической проницаемостью ε = 29 и 90 по группе МП0, ε = 3 100–3 700 по группе Н20 и ε = 4 500 по группе Н50.
В табл. 1 представлены основные параметры фильтров, в том числе группы ТСЕ, номинальные емкости, напряжения и токи для всех габаритных размеров, а также дано сравнение с зарубежными аналогами. Введение габаритного размера 5,7 × 5,0 мм, снятого с производства зарубежными компаниями, объясняется востребованностью данного варианта исполнения в отечественной радиоаппаратуре.
Частотная зависимость полного сопротивления Z фильтров приведена на рис. 3. Она имеет U‑образную форму, в левой ветви которой Z уменьшается пропорционально частоте и достигает минимального значения на частоте собственного последовательного резонанса ƒрез. На этой частоте величины емкостного и индуктивного реактивных сопротивлений равны и противоположны по знаку, а результирующее реактивное сопротивление равно нулю. На частоте ƒрез общий импеданс равен эквивалентному последовательному сопротивлению Rэпс, которое определяется активным сопротивлением электродов и контактных узлов. На частотах ниже ƒрез полное сопротивление Z определяется емкостью, а на частотах выше ƒрез – индуктивностью, увеличиваясь пропорционально частоте. Помехоподавление обеспечивается при помощи отведения помехи на землю через сопротивление Rэпс.
Основная характеристика помехоподавления фильтра – вносимое затухание А, которое вычисляется по формуле:
А = 20 lg U1 / U2, (1)
где U1 – напряжение в цепи без фильтра, U2 – напряжение с установленным фильтром.
На рис. 4 приведена АЧХ вносимого затухания, рассчитанная по формуле (1). Она соответствует частотной зависимости полного сопротивления Z (см. рис. 3): на частоте собственного последовательного резонанса ƒрез, где Z имеет минимальное значение, вносимое затухание достигает максимального значения. Иногда за U1 принимают напряжение в цепи с фильтром, а за U2 – напряжение без фильтра. От этого зависит, будет повышаться или уменьшаться вносимое затухание по мере увеличения частоты, и соответственно графические изображения их динамики.
Помимо открытого монтажа, при котором вносимое затухание фильтров начинает снижаться сразу после частоты ƒрез, существует метод экранированного монтажа, позволяющий значительно повысить величину вносимого затухания относительно частоты резонанса.
Характер АЧХ (рис. 5) при этом подобен АЧХ навесных фильтров в металлических корпусах с резьбовым креплением. Для применения данного способа монтажа следует разделять проходные выводы фильтра металлической перегородкой. Однако в силу сложности метод экранированного монтажа не находит широкого применения [2].
Вносимое затухание в диапазоне частот от 0,3 до 3 200 МГц определялось с помощью измерителей комплексных коэффициентов передачи «Обзор‑103» и «Обзор‑304». Фильтры, смонтированные в соответствии с их габаритными размерами на специальные платы, были установлены в контейнер для измерения вносимого затухания (рис. 6). Соответствие контейнера требованиям ГОСТ [3] по КСВн (коэффициент стоячей волны не более 1,5) позволило повысить точность измерения характеристик АЧХ.
Приборы «Обзор» предназначены для измерения комплексных S‑параметров, из которых вносимому затуханию соответствует коэффициент передачи S21, который определяется как отношение напряжения выходного сигнала без фильтра к напряжению с подключенным фильтром. По значению S21 на частоте резонанса было определено эквивалентное последовательное сопротивление Rэпс (см. рис. 3) по следующей формуле:
(Ом). (2)
На рис. 7 и 8 приведены полученные с помощью этих приборов АЧХ фильтров емкостью 47 пФ и 2,2 мкФ.
Для фильтров Б33 более удобной и информативной оказалась табличная форма представления АЧХ (табл. 2). Так как фактические значения емкости фильтров отличаются от их номинального значения в пределах допустимого отклонения, для минимизации погрешности при обработке результатов значения резонансной частоты ƒрез были пересчитаны для каждого значения номинальной емкости.
Частота среза АЧХ, при которой вносимое затухание А равняется 3 дБ, достаточно точно соответствовала соотношению:
ƒc = 1 / π R C, (3)
где ƒc – частота среза (Гц), R – сопротивление измерительной системы (50 Ом), С – емкость фильтра (Ф).
Зависимость частоты среза от Сном представлена на рис. 9.
Значения параметров помехоподавления А, Арез, ƒc, ƒрез в основном зависят от фактических значений емкости, на которых, в свою очередь, оказывают влияние окружающая температура и рабочее напряжение. Емкость фильтров группы МП0 не зависит ни от температуры, ни от напряжения. Фильтры групп Н20, Н50 изготовлены на основе титаната бария с различными добавками. Такие керамические материалы отличаются высокой диэлектрической проницаемостью и сильно выраженной зависимостью емкости от температуры и постоянного напряжения. Поэтому для фильтров Б33 не применялись материалы групп Н70 и Н90, где такие зависимости максимальны. Исходя из вышесказанного для получения наиболее точных значений параметров А, Арез, ƒc, ƒрез следует в табл. 2 вместо значений Сном использовать фактические значения емкости. Зависимости емкости фильтров групп Н20, Н50 от температуры и постоянного напряжения представлены на рис. 10 и 11.
Для чип-фильтров, как и обычных керамических конденсаторов, характерна низкая теплопроводность. При их резком нагревании или охлаждении температура корпуса фильтра в разных точках различается, что приводит к механическим напряжениям, может вызвать трещины и разрушение. Особенно это критично для фильтров групп ТСЕ Н20, Н50. Поэтому при пайке устройств необходимо предусмотреть их постепенный нагрев, как и для обычных керамических конденсаторов этих групп.
В заключение следует отметить, что фильтры Б33 не уступают импортным аналогам по своим характеристикам, отличаются высокими значениями вносимого затухания, освоены АО «НИИ «Гириконд» в производстве с приемкой ОТК и могут использоваться в рамках импортозамещения. Выпуск продукции с приемкой ВП запланирован на 2020 год.
ЛИТЕРАТУРА
Фильтры нижних частот Б33, технические условия АДПК. 431145.007 ТУ.
www.knowlescapacitors.com/getattachment/Products/
EMI-Filters/SMD-C-Filters/EMI-Filters.pdf.aspx
Пассивные помехоподавляющие фильтры и элементы. Методы измерения вносимого затухания. ГОСТ 13661-92, Комитет стандартизации и метрологии СССР, Москва.
Отзывы читателей
