Преимущества многополюсных фильтров.

Фильтры для применения в источниках питания представляют собой цепи, собранные из индуктивностей и емкостей. Расположение и величины элементов подобраны таким образом, чтобы пропускать только относительно низкую частоту электрического тока.

Определим двухполюсный или однокаскадный фильтр, как фильтр, состоящий из одного конденсатора и одной катушки индуктивности, тогда четырехполюсный или двухкаскадный фильтр будет состоять из двух конденсаторов и двух катушек индуктивности. См. Рис. 1.

Количество полюсов соответствует количеству элементов. Тип цепей, подключенных к входу и выходу фильтра (импеданс источника и нагрузки) оказывает сильное влияние на частотный отклик фильтра. На практике элементы фильтра вносят сопротивление, связанное с обмоткой катушки индуктивности и потерями в сердечнике, а также выводами, обкладками и диэлектрическими потерями конденсатора. Потери на более высоких частотах порождают дополнительное затухание, которое желательно для стабильности. Также на эффективность фильтра влияют паразитные элементы, такие как индуктивность выводов конденсатора и распределенная емкость витков обмотки. Эти паразитные элементы показаны на Рис. 2 вместе с эквивалентными последовательными сопротивлениями катушки индуктивности Rs и конденсатора Rc.

Конструктивы двух исследуемых фильтров показаны на Рис. 3 и Рис. 4.

В однокаскадном фильтре использован полипропиленовый конденсатор величиной 15 µF и 13,2 µH катушка индуктивности. Сердечник катушки производства Arnold - MS-130060-2 (сендаст) с проницаемостью 60. (Arnold производит и продает такие сердечники под маркой Super-MSS™). Обмотка выполнена из провода 18AWG и ее сопротивление постоянному току равно 4,5 mΩ.

В двухкаскадном фильтре используется тот же самый конденсатор 15µF, как и в однокаскадном. Каждая из двух катушек индуктивности намотана на сердечнике меньшего диаметра из того же материала и проницаемости и имеет индуктивность 7,95 µH. Сердечник - Arnold MS-106060-2. Провод тот же. Общее сопротивление обмоток, подключенных последовательно - 5,4 µΩ.

На Рис.5 показаны зависимости эквивалентных последовательных индуктивности и сопротивления от частоты для каждого вида индуктивности. У катушки большего номинала частота авторезонанса около 26 MHz, в то время как у меньшей он находится выше 40 MHz. Для меньших катушек индуктивности характерен более широкий частотный диапазон. Более подробно характеристики катушек индуктивности на высоких частотах будут рассмотрены ниже.

На Рис. 6. приведена зависимость параллельных емкости и сопротивления от частоты. Обратите внимание, что частота резонанса конденсатора и индуктивности его выводов составляет 250 kHz.

Для того чтобы показать преимущества двухкаскадного фильтра над однокаскадным на Рис. 7 и Рис. 8 приведены их частотные отклики. Наиболее значительное отклонение от применения в мощных цепях - это величина импеданса источника - 50 Ω и 50 Ω нагрузка, которые обеспечивает «амплитудно-фазовая» часть анализатора Hewlett-Packard 4194A. В типовых мощных переключаемых источниках импедансы различны и обычно имеют на низких частотах меньшее значение. Тем не менее, исследование дает полезную информацию, хотя условия применения и отличаются.

Например, максимальное затухание для каждого фильтра является результатом последовательного резонанса конденсатора и его выводов. Это особенно заметно у однокаскадного фильтра в районе частоты в 175 kHz. Важность минимизации длины выводов очевидна. Ослабление уменьшается на более высоких частотах, потому что индуктивность выводов препятствует протеканию обратного тока через конденсатор.

Другой важной особенностью двухкаскадной конфигурации является меньшее затухание в области частоты 20 kHz. Теоретически, четырехполюсник - это два двухполюсника на частоте 14,6 kHz и их действие заметно из-за недостатка затухания между С1, L2 и С3. На частоте 20 kHz теряется около 30 dB ослабления. Выше этой частоты фильтр возвращается к норме и превосходит на 20 dB по эффективности однокаскадный при 60 kHz. См. Рис. 9.

В заключение отметим, что двухкаскадный фильтр имеет 10 dB преимущество в диапазоне частот от 300 kHz до 1 MHz. Дополнительные индуктивность и конденсатор снижают влияние индуктивности выводов конденсатора. В США, где радиовещательный диапазон АМ лежит в диапазоне частот от 540 kHz до 1,6 MHz, улучшенная производительность двухкаскадного фильтра является значительным преимуществом.

Термин фильтр обычно применяется к электрической цепи или ее части, которая ограничивает электромагнитные помехи (EMI). Без фильтрования нежелательные электрические сигналы могут распространяться от одного устройства к другому по общей цепи или шине питания. Также могут быть наведенные помехи, так как линия питания для высоких частот является антенной. Цель фильтра - не допустить распространение электрического «шума», не препятствуя при этом передаче полезной электрической мощности.

Правительственные агентства ограничивают величину напряжения наводок по цепям питания в определенном частотном диапазоне. Например, в США величина радиочастотных помех (RFI) ограничена величиной 48 dBµV в диапазоне до 450 kHz до 30 MHz.

Допускаемый уровень шума источников питания в составе электронных устройств определяется требованиями, предъявляемыми подключенной нагрузкой. В большинстве случаев удовлетворительная фильтрация шумов выполняется элементами самого источника питания (катушки индуктивности и конденсаторы), которые контролируют пульсации выходного напряжения. Однако некоторые разработчики вводят второй каскад фильтрации для борьбы с EMI на выходе источника.

Оборудованию, в котором есть постоянно переключающиеся элементы (такие как мощные транзисторы и диоды в переключаемых источниках питания), на выходе необходима фильтрация наведенных электромагнитных помех (EMI). Скачки тока в цепи вызывают короткие броски напряжения или «пички». Напряжение EMI между входными проводниками называют шумом противофазного сигнала. Шум от обоих проводников на землю называется синфазным. В катушке индуктивности для синфазного шума используются токи во входных проводниках, текущие в противоположных направлениях (две обмотки на одном сердечнике) и материал с высокой проницаемостью.

В противоположность этому, в катушке индуктивности противофазного сигнала необходимо использовать материал сердечника, который может поддерживать постоянную величину проницаемости при наличии подмагничивающего поля. См. графики на Рис. 10, где приведены ток через катушку индуктивности, напряжение и магнитное поле в сердечнике. Обратите внимание, что источником напряжения на Рис.10 может быть или сеть (например, из розетки) или батарея, например, 48 V для питания телефонного оборудования. Если работа производится от батареи, то намагничивающий ток будет постоянным. Для систем переменного тока с большим коэффициентом мощности, намагничивающий ток практически синусоидальный. Если коэффициент мощности невелик, ток представляет собой последовательность радиоимпульсов.

Порошковые сердечники подходят для катушек индуктивности противофазного сигнала (иногда их еще называют аддитивной помехи или дроссели), из-за их выдающейся способности поддерживать индуктивность независимой от величины подмагничивания. При высоких уровнях потока используют сердечники из Hi-Flux (торговая марка Arnold Engineering для материала, состоящего из 50% Ni и 50% Fe). Для сравнения на Рис. 11 приведены зависимости проницаемости от подмагничивания постоянным током для трех различных материалов.

Опытные данные на Рис.11 и данные, приведенные ниже, получены на одних и тех же трех сердечниках. Проницаемость каждого равна 60, а размеры равны размерам сердечника, применявшегося в однокаскадном фильтре. Для справки, это сердечники А-291061-2, HF-130070-2 и MS-130060-2, изготовленные из порошка Мо пермаллоя (МРР), 50% никель-железа (Hi-Flux) и сендаста (Super-MSS), соответственно.

На Рис. 12 приведен пример «полностью» намотанного сердечника. «Полностью» означает, что свободной осталась половина внутреннего диаметра. Обычно, по крайней мера столько пространства необходимо оставить, чтобы можно было намотать последний виток обмотки с помощью крючка или челнока. В этом случае, значение индуктивности равно 1,9 mH и является типовым. Требования к величине индуктивности обычно изменяются в пределах от нескольких микрогенри до нескольких миллигенри.

Для получения пользы от высокой плотности потока насыщения материала сердечника необходимы низкие потери на частоте питающей сети. Результаты измерений для Hi-Flux приведены на Рис. 13. Hi-Flux обладает наибольшими потерями, поэтому это наихудший случай. Даже при 400 Hz и 9000 Гс плотность потерь в сердечнике всего 200mΩсм³. Для 50 и 60 Hz предел плотности потока, как показано на Рис. 14, определяется изменением проницаемости.

Другое важное соображение - это зависимость индуктивности от частоты. Частотные отклики намотанной в один слой катушки индуктивности, величиной 60 µH для каждого типа сердечника приведены на Рис. 15 - Рис. 17.

Отсутствие пиков последовательной индуктивности для Hi-Flux означает, что проницаемость сердечника падает с ростом частоты. Как указывалось выше, потери на высоких частотах могут быть преимуществом фильтра, так как обеспечивают стабильность. Дополнительные сведения о последовательных индуктивности и сопротивлении на частотах от 100 kHz до 1 MHz приведены на рис 18. Относительно низкие потери на вихревые токи в Super-MSS (сендаст) очевидны.

Влияние большей распределенной емкости при многослойной намотке показано на Рис. 20 и 21. На частотах выше 1,6 MHz, из-за паразитной емкости импеданс у многослойной катушки меньше, чем у однослойной.

Заключение: каждый из этих типов порошковых сердечников применим в фильтрах. Hi-Flux лучше всех из-за его способности поддерживать индуктивность неизменной при больших магнитных потоках. Он также дает некоторое желательное демпфирование на высоких частотах.

Другим важным фактором является акустический шум, вызванный магнитострикцией материала сердечника. Hi-Flux может производить жужжащий звук на частотах 50 или 60 Hz при больших уровнях потока. Конечно, постоянный ток не может вызвать акустического шума, поэтому Hi-Flux является лучшим материалом для батарейных фильтров.

И МРР (Мо пермаллой), и Super-MSS (сендаст) обладают очень низкой магнитострикцией, и оба могут быть использованы для снижения акустического шума. МРР (Мо пермаллой) имеет преимущество из-за лучшей зависимости дифференциальной проницаемости от величины смещения постоянным током. По сравнению с частотами электрических шумов, ток частотой 50 или 60 Hz можно считать постоянным. При определении индуктивности для любого значения тока частотой 50/60 Hz можно использовать зависимость дифференциальной проницаемости от величины смещения постоянным током.

Сендастовые (Super-MSS) порошковые срдечники имеют самую низкую стоимость на единицу объема и являются хорошим выбором в тех случаях, когда не требуется максимальная производительность. Разница в цене между МРР (Мо пермаллой) и Hi-Flux практически отсутствует.