RU2580427C1

RU2580427C1 - Noise filter

Info

Publication number: RU2580427C1
Application number: RU2014150982/08A
Authority: RU
Inventors: Владимир Степанович Колотухин; Николай Александрович Прудкой; Сергей Васильевич Колесников; Александр Иванович Верещагин; Андрей Алексеевич Меньков; Артем Борисович Скрипник
Original assignee: Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом"
Priority date: 2014-12-16
Filing date: 2014-12-16
Publication date: 2016-04-10

Abstract

FIELD: electronic equipment.

SUBSTANCE: invention relates to electrical engineering and electronics and can be used for suppression of high-frequency or pulsed interference in electric circuits. Interference filter comprises throttle consisting of toroidal ferromagnetic core with one or more windings, electrostatic screen in the form of toroidal metal shell of rectangular cross section with annular through slot, inside which there is a ferromagnetic core, at that windings of throttle are arranged on electrostatic screen, which is connected mechanically and electrically to the housing of the filter or protected device.

EFFECT: wider frequency range and increase of noise suppression.

1 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике и электронике и может быть использовано для подавления высокочастотных и импульсных помех в электрических цепях.The invention relates to electrical engineering and electronics and can be used to suppress high-frequency and impulse noise in electrical circuits.

Для подавления помех в электрических цепях широко применяются помехоподавляющие дроссели. Они ограничивают помехи за счет внесения в защищаемую цепь в частотном диапазоне помех большого последовательного импеданса. Известен дроссель [J.W. van Dijk. EMC. Electromagnetic Compatibility. Saxion, Version 1.2, April 2010], представляющий собой тороидальный ферромагнитный сердечник прямоугольного поперечного сечения с нанесенными на него одной или несколькими обмотками. Вышеуказанное устройство является наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству и поэтому выбрано в качестве прототипа.To suppress interference in electrical circuits, interference suppressors are widely used. They limit interference by introducing a large series impedance into the protected circuit in the frequency range of the interference. Known throttle [J.W. van Dijk. EMC Electromagnetic Compatibility. Saxion, Version 1.2, April 2010], which is a toroidal ferromagnetic core of rectangular cross-section with one or more windings deposited on it. The above device is the closest in technical essence to the claimed device and therefore is selected as a prototype.

Недостатком прототипа является узкий частотный диапазон подавляемых помех из-за влияния паразитной проходной емкости дросселя. Типичные частотные зависимости импеданса дросселя при различных количествах витков приведены на фиг. 5 [J. Brown. New Understandings of the Use of Ferrites in the Prevention and Suppression of RF Interference to Audio Systems. 119th AES Convention in New York, October 2005]. Как следует из представленных графиков, зависимости имеют вид, характерный для параллельного резонансного контура, и функциональные ограничения прототипа проявляются по мере роста частоты выше резонансной, определяемой формулойThe disadvantage of the prototype is the narrow frequency range of the suppressed interference due to the influence of the parasitic passage capacity of the inductor. Typical frequency dependences of the impedance of the inductor for various numbers of turns are shown in FIG. 5 [J. Brown. New Understandings of the Use of Ferrites in the Prevention and Suppression of RF Interference to Audio Systems. 119th AES Convention in New York, October 2005]. As follows from the presented graphs, the dependences have the form characteristic of a parallel resonant circuit, and the functional limitations of the prototype appear as the frequency rises above the resonant defined by the formula

где L_dr - индуктивность дросселя; C_ch - паразитная проходная емкость дросселя.where L _dr is the inductance of the inductor; C _ch - parasitic passage capacity of the throttle.

Для помехоподавления главной задачей является максимизация импеданса дросселя. Если исходить из свойств идеального дросселя, то для его увеличения необходимо увеличивать число витков в дросселе с тем, чтобы получить большее значение индуктивности. Однако при этом уменьшается резонансная частота дросселя. Это уменьшение обусловлено как ростом индуктивности, так и ростом паразитной проходной емкости при увеличении числа витков в дросселе.For noise suppression, the main task is to maximize the impedance of the inductor. Based on the properties of an ideal inductor, to increase it, it is necessary to increase the number of turns in the inductor in order to obtain a larger value of inductance. However, this decreases the resonant frequency of the inductor. This decrease is due to both an increase in inductance and an increase in the parasitic passage capacitance with an increase in the number of turns in the inductor.

Следовательно, прототип является эффективным средством защиты только при относительно узком диапазоне частот (верхняя граничная частота защищаемого диапазона лежит в области первого параллельного резонанса). На более высоких частотах из-за паразитной емкости защитные свойства дросселя практически отсутствуют (или незначительны). При попытке улучшить защитные свойства дросселя за счет увеличения количества витков происходит сужение его рабочего диапазона частот.Therefore, the prototype is an effective means of protection only with a relatively narrow frequency range (the upper cutoff frequency of the protected range lies in the region of the first parallel resonance). At higher frequencies, due to parasitic capacitance, the protective properties of the inductor are practically absent (or insignificant). When trying to improve the protective properties of the inductor by increasing the number of turns, its working frequency range is narrowed.

Решаемой технической задачей является создание помехоподавляющего фильтра с расширенной областью применения.The technical problem to be solved is the creation of an interference suppression filter with an extended scope.

Достигаемый технический результат заключается в расширении частотного диапазона и улучшения качества подавления помех.The technical result achieved is to expand the frequency range and improve the quality of noise reduction.

Для достижения технического результата в помехоподавляющем фильтре, содержащем дроссель, состоящий из тороидального ферромагнитного сердечника с нанесенными на него одной или несколькими обмотками, новым является то, что дополнительно введен электростатический экран в виде тороидальной металлической оболочки прямоугольного поперечного сечения с кольцевой сквозной прорезью, внутри которого расположен ферромагнитный сердечник, при этом обмотки дросселя нанесены на электростатический экран, который соединен механически и электрически с корпусом фильтра или защищаемого устройства.In order to achieve a technical result in a noise suppression filter containing a choke consisting of a toroidal ferromagnetic core with one or more windings deposited on it, it is new that an electrostatic shield is additionally introduced in the form of a toroidal metal shell of rectangular cross section with an annular through slot, inside of which is located a ferromagnetic core, while the inductor windings are applied to an electrostatic screen, which is connected mechanically and electrically Ski with filter housing or protected device.

Возможные варианты конструктивного выполнения предлагаемого фильтра поясняются чертежами фиг. 1 и 2. Помехоподавляющий фильтр содержит дроссель, состоящий из тороидального ферромагнитного сердечника 1 с нанесенными на него одной или несколькими обмотками 2, электростатический экран 3 в виде тороидальной металлической оболочки прямоугольного поперечного сечения с кольцевой сквозной прорезью 4, внутри которого расположен ферромагнитный сердечник 1, при этом обмотки дросселя 2 нанесены на электростатический экран 3, который соединен механически и электрически с корпусом фильтра или защищаемого устройства 5.Possible design options of the proposed filter are illustrated by drawings of FIG. 1 and 2. The interference suppression filter contains a choke, consisting of a toroidal ferromagnetic core 1 with one or more windings 2 deposited on it, an electrostatic screen 3 in the form of a toroidal metal shell of rectangular cross section with an annular through slot 4, inside of which there is a ferromagnetic core 1, with the windings of the inductor 2 are applied to the electrostatic screen 3, which is connected mechanically and electrically to the filter housing or the protected device 5.

Высокий последовательный импеданс обмоток, обеспечиваемый ферромагнитным сердечником, расположенным внутри электростатического фильтра, препятствует протеканию по ним токов помех.The high sequential impedance of the windings provided by the ferromagnetic core located inside the electrostatic filter prevents interference currents from flowing through them.

Введение электростатического экрана 3 в виде тороидальной металлической оболочки прямоугольного поперечного сечения с кольцевой сквозной прорезью и нанесение обмоток дросселя на электростатический экран, который соединен механически и электрически с корпусом фильтра или защищаемого устройства, приводит к тому, что, во-первых, за счет влияния электростатического экрана 3 устраняются паразитные проходные емкости обмоток 2, а во-вторых, за счет наличия конструктивной емкости обмоток на электростатический экран 3, имеющий электрическую связь с корпусом защищаемого устройства, токи помех через эту емкость стекают на корпус защищаемого устройства.The introduction of the electrostatic screen 3 in the form of a toroidal metal shell of rectangular cross section with an annular through-slot and applying the inductor windings to the electrostatic screen, which is connected mechanically and electrically to the filter housing or the protected device, leads to the fact that, firstly, due to the influence of electrostatic screen 3 eliminates the parasitic passage capacitance of the windings 2, and secondly, due to the structural capacity of the windings on the electrostatic screen 3 having an electric ide with the body of the protected device, noise currents through the drain to body capacitance of the protected device.

Таким образом, новая совокупность существенных признаков обеспечивает достижение технического результата, а именно улучшения качества фильтрации и расширении рабочего диапазона частот.Thus, a new set of essential features ensures the achievement of a technical result, namely, improving filtering quality and expanding the working frequency range.

Заявляемый помехоподавляющий фильтр работает следующим образом. Для реализации своей защитной функции, фильтр автономно или в составе помехоподавляющего фильтра более высокого порядка, устанавливается на входе защищаемого устройства, а его обмотки включаются в разрыв электрических цепей, в которых необходимо подавлять помехи. Высокий последовательный импеданс обмоток, обеспечиваемый наличием ферромагнитного сердечника, препятствует протеканию по ним токов помех, а конструктивная емкость обмоток на электростатический экран, имеющий электрическую связь с корпусом защищаемого устройства, способствует стеканию помех на корпус защищаемого устройства.The inventive interference suppression filter operates as follows. To implement its protective function, a filter, autonomously or as part of a higher order noise suppression filter, is installed at the input of the protected device, and its windings are included in the open circuit, in which it is necessary to suppress interference. The high sequential impedance of the windings provided by the presence of a ferromagnetic core prevents interference currents flowing through them, and the constructive capacity of the windings on an electrostatic screen, which is electrically connected with the housing of the protected device, contributes to the drainage of interference on the housing of the protected device.

Наличие конструктивной емкости обмоток на электростатический экран переводит дроссель в новое качество - он становится системой с распределенными параметрами, и для описания его работы следует использовать уравнения длинной линии, связывающие напряжение и ток в начале обмотки (U_in, I_in) с напряжением и током в конце (U_out, I_out) обмоткиThe presence of the constructive capacity of the windings on the electrostatic screen translates the inductor into a new quality - it becomes a system with distributed parameters, and to describe its operation, you should use long-line equations that connect the voltage and current at the beginning of the winding (U _in , I _in ) with voltage and current in end (U _out , I _out ) of the winding

где Z_dr, Y_dr - погонный продольный импеданс и погонный поперечный адмитанс обмотки, соответственно;

- постоянная распространения обмотки;

- волновое сопротивление обмотки; l_w - длина обмотки.where Z _dr , Y _dr - linear longitudinal impedance and linear transverse admittance of the winding, respectively;

- constant distribution of the winding;

- wave impedance of the winding; l _w is the length of the winding.

Из уравнений длинной линии следует, что коэффициент затухания, вносимого фильтром, при чисто активном сопротивлении источника и нагрузки, равном Z₀, равенFrom the equations of the long line it follows that the attenuation coefficient introduced by the filter, with a purely active resistance of the source and load equal to Z ₀ , is

Продольный погонный импеданс может быть вычислен по формулеThe longitudinal linear impedance can be calculated by the formula

где f - частота; µ′ - действительная компонента магнитной проницаемости; µ′′ - мнимая компонента магнитной проницаемости;

- индуктивность эквивалентного по размерам воздушного сердечника; D_dr, d_dr - внешний и внутренний диаметры ферритового сердечника; w - число витков в дросселе, h - высота сердечника.where f is the frequency; µ ′ is the real component of magnetic permeability; µ ′ ′ is the imaginary component of magnetic permeability;

- inductance of an equivalent air core; D _dr , d _dr - outer and inner diameters of the ferrite core; w is the number of turns in the throttle, h is the height of the core.

Погонный поперечный адмитанс обмотки можно найти по формулеThe linear transverse admittance of the winding can be found by the formula

где C_dr - погонная конструктивная емкость обмотки.where C _dr - linear structural capacity of the winding.

Для однослойной обмотки погонную конструктивную емкость можно оценить по формулеFor a single-layer winding, the linear structural capacity can be estimated by the formula

где Δ_w - размер изоляционного зазора между проводом обмотки и экраном;where Δ _w is the size of the insulating gap between the winding wire and the screen;

d_w - диаметр провода обмотки, е - диэлектрическая проницаемость изоляции между проводом обмотки и экраном.d _w is the diameter of the winding wire, e is the dielectric constant of the insulation between the winding wire and the screen.

В прототипе, расчетная модель которого представляет собой параллельный колебательный контур, коэффициент затухания равенIn the prototype, the calculation model of which is a parallel oscillatory circuit, the attenuation coefficient is

Рассмотрим пример реализации предлагаемого технического решения, представленного на фиг. 1, где в качестве сердечника использован кольцевой сердечник K16×8×6 из никель-цинкового феррита с начальной магнитной проницаемостью 1000. Однослойная обмотка выполнена проводом МС16-13 сечением 0,2 мм²; количество витков 20. Размер изоляционного зазора между проводом обмотки и экраном Δ_w=0,2 мм. Длина обмотки на сердечнике l_w=20 мм.Consider an example of the implementation of the proposed technical solution presented in FIG. 1, where a K16 × 8 × 6 ring core made of nickel-zinc ferrite with an initial magnetic permeability of 1000 is used as a core. The single-layer winding is made with an MC16-13 wire with a cross section of 0.2 mm ² ; the number of turns 20. The size of the insulation gap between the winding wire and the shield Δ _w = 0.2 mm. The length of the winding on the core l _w = 20 mm.

Частотные зависимости компонент магнитной проницаемости для этого феррита по данным производителя [С.U. Parker. EMC Components. Specifying a Ferrite for EMI Suppression. Fair-Rite Products, Conformity JUNE 2008] приведены на фиг. 5.Frequency dependences of the magnetic permeability components for this ferrite according to the manufacturer [C.U. Parker. EMC Components. Specifying a Ferrite for EMI Suppression. Fair-Rite Products, Conformity JUNE 2008] are shown in FIG. 5.

Результаты расчетов вносимого затухания для дросселя, выполненного в соответствии с предлагаемым техническим решением, при Z₀=50 Ом приведены на фиг. 6 (кривая а). Там же приведена расчетная зависимость вносимого затухания для прототипа (кривая б) с тем же количеством витков и с тем же сердечником при величине паразитной проходной емкости C_hc=10 пФ.The calculation results of the insertion loss for the throttle, made in accordance with the proposed technical solution, at Z ₀ = 50 Ohms are shown in FIG. 6 (curve a). The calculated dependence of the introduced attenuation for the prototype (curve b) with the same number of turns and with the same core with the parasitic passage capacitance C _hc = 10 pF is also given there.

Как показывают приведенные расчеты, на частотах выше ≈3 МГц вносимое затухание в дросселе, выполненном согласно предлагаемому техническому решению, становится выше, чем у прототипа и дальше растет с частотой. В прототипе после резонансной частоты (≈1,5 МГц) вносимое затухание монотонно падает. Различие вносимого затухания в пользу предлагаемого решения достигает:As the above calculations show, at frequencies above ≈3 MHz, the attenuation introduced in the inductor made according to the proposed technical solution becomes higher than that of the prototype and further increases with frequency. In the prototype, after the resonant frequency (≈1.5 MHz), the introduced attenuation decreases monotonically. The difference introduced by the attenuation in favor of the proposed solution reaches:

≈30 дБ - на частоте 10 МГц;≈30 dB - at a frequency of 10 MHz;

>190 дБ - на частоте 100 МГц и выше.> 190 dB - at a frequency of 100 MHz and higher.

Claims

An interference suppression filter containing a inductor consisting of a toroidal ferromagnetic core with one or more windings deposited on it, characterized in that an electrostatic shield is additionally introduced in the form of a toroidal metal shell of rectangular cross section with an annular through slot, inside of which a ferromagnetic core is located, while the inductor windings applied to the electrostatic screen, which is connected mechanically and electrically to the filter housing or the protected device.