Сетевой помехоподавляющий фильтр

 

Изобретение относится к электрои 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. .

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК,я)5 Н 02 J 3/01

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ (21) 4789388/09 (22) 08.02.90 (46) 23.03.92. Бюл. N 11 (72) В.А.Павловский (53) 621.396(088.8) (56) Патент США N 4563658, кл. Н 03 Н 7/01, 1986.

ЬЭ, 1

fC) К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (54) СЕТЕВОЙ ПОМЕХОПОДАВЛЯЮЩИЙ

ФИЛЬТР (57) Изобретение относится к электро- и радиотехнике, в частности к сетевым фильтрам. Цель изобретения — уменьшение массы и металлоемкости фильтра при обеспечении

Изобретение относится к электро- и радиотехнике, в частности к фильтрам для подавления помех в цепях питания (сетевые помехоподавляющие фильтры), Известны сетевые помехоподавляющие фильтры (СПФ) 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-образных 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 Ы 1721702 А1 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.

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

1721702

20 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 T-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 и ро кладок, наложен н ых 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 элемен25

55 тарных фильтров нижних частот, имеющих индуктивность Li и емкость Ci на каждом участке металлических лент (1).

Однако спиральная намотка (корпусной металлической ленты, один или оба вывода которой соединяются с корпусом P3A) в известном фильтре резко увеличивает индуктивность указанной ленты. Это приводит к тому, что на высоких и очень высоких частотах элементарные конденсаторы С, 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 межвитковой емкости. Поэтому чем дальше от выходного конца фильтра расположен элементарный конденсатор Сь 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 уменьшеwe 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

1721702 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 ш унти руют токи помехи. Это и ри ведет 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 на5

55 грузка, 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.3 — 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 помехоподавляющий 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 б 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.

1721702

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 4 и емкостью С. Так как лента 2 имеет малую ширину на участках, расположенных близко от входного конца фильтра, то на этих участках величина Li больше, а величина С меньше, чем у известного фильтра, По мере продвижения к выходному концу фильтра величина Li монотонно уменьшается, а величина С возрастает, приближаясь, соответственно сверху и снизу к значениям L и С 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

5 тоже время вдвое уменьшается расходметалла на корпусную ленту 2 фильтра, что заметно уменьшает массу фильтра и его стоимость, На фиг.2 показано затухание известного фильтра (кривая 1) и затухание предлага10 емого 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

15 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

20 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. !. Намотка фильтров произ25 водится с натяжением на оправке диаметром 8 мм.

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

30 нагрузке 50 Ом.

Из фиг.2 видно, что на частотах 10-15

МГц (в полосе hfdf = 5 МГц) у предлагаемого фильтра наблюдается выигрыш до 10 дБ во вносимом затухании по сравнению с изве35

55 стным фильтром. На частотах 15 — 50 МГц (в полосе Afz = 35 МГц) наблюдается проигрыш до 10 дБ, на частотах 50 — 110 МГц (в полосе Юз = 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 hfdf = 36 МГц, а выигрыш — в более широкой полосе Af< + h, fç = 65 М Гц, На фиг.3 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

0,5 м (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

1.721702

30 фильтрах выполнены из конденсаторной бумаги толщиной примерно 30 мкм.

Из фиг.3 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 лен ой 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 лент и чередующихся с ними диэлектрических прокладок, наложенных одна на другую по всей длине и свернутых в рулон, причем одна из металлических лент снабже5 ла электрическими выводами на обоих концах, а другая снабжена по меньшей мере одним выводом на конце, расположенном внутри рулона, о т л и ч а ю щ и.й с я тем, что, с целью уменьшения массы и металлоемко10 сти 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

15 центра рулона к его наружной поверхности.

2. Фильтр по п.1, отличающийся тем, что металлическая лента, снабженная по меньшей мере одним выводом, выполне20 на в виде трапеции.

3, Фильтр по и 1, отл и ч а ю шийся тем, что металлическая лента, снабженная по меньшей мере одним выводом, выполне25 на в виде прямоугольного треугольника.

1721702 бО

Редактор С. Пекарь

Заказ 958 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101 ж

Ю ъ 30

7Q ъ Ю фЯ

К г

2 5 5 10 203о.ювхют

УюсуРОП7й, < g

Фиг.2

Л И 50 +1M

Уаоиогюа, юГд

Фиг.5

Составитель В. Павловский

Техред М.Моргентал Корректор H. Ревская