Опорные конденсаторы К10-85

Для устранения помех распространяющихся, в цепях питания, управления и коммутации, применяются блокировочные конденсаторы, назначение которых состоит в блокировании помехи, путем замыкания её на корпус аппаратуры, «землю». Опорные конденсаторы – это помехоподавляющие конденсаторы, которые конструктивно имеют опорный вывод, обеспечивающий малую индуктивность соединения одного из электродов конденсатора с корпусом аппаратуры.

В пятидесятые годы прошлого столетия «НИИ «Гириконд» разработал дисковые керамические опорные конденсаторы КДО и трубчатые опорные конденсаторы КО, которые до последнего времени выпускались заводом «Номинал» на Украине. В связи с прекращением поставок, встал вопрос об их замещении. Максимальная номинальная емкость КДО равняется 2 200 пФ. Максимальная номинальная емкость конденсаторов КО также небольшая и составляет 4700 пФ. Эти конденсаторы не могут обеспечить эффективное помехоподавление в области низких частот. С использованием преимуществ конденсаторов К10-81 для замены КДО и КО были разработаны опорные конденсаторы К10-85 [3,4]. Внешний вид конденсаторов показан на рисунке 3.

К полому корпусу, выполненному из латуни с гальваническим покрытием серебром, припаян шайбовый конденсатор (рис. 2). К внутренней контактной поверхности конденсатора припаян проволочный вывод диаметром 1,0 мм. Корпус с резьбой является вторым (опорным) выводом. Таким образом, шайбовые конденсаторы используются не как проходные, а как обычные конденсаторы с двумя выводами. При этом они сохраняют свои преимущества: возможность получения больших значений емкости, низкие значения собственной индуктивности и максимальную частоту собственного резонанса. В отличие от использования в проходном режиме, АЧХ вносимого затухания конденсаторов К10- 85 имеют явно выраженный резонанс (рис. 4).

Конденсаторы представлены следующими группами температурной стабильности: МП0, Н20 и Н50. Материалы группы Н90 для конденсаторов не использовались из-за большой их нестабильности при воздействии температуры и рабочего напряжения. Номинальные емкости лежат в пределах от 4,7 пФ до 0,33 мкФ. Линейка номинальных напряжений представлена следующими значениями: 250, 500, 750 и 1000 В. Конденсаторы с номинальным напряжением 250 В имеют малогабаритный корпус, с резьбой М4 и массой не более 1,5 г.

Значения резонансной частоты и вносимого затухания в зависимости от номинальной емкости приведены в таблице 2. Минимальное значение резонансной частоты составляет 4,4 МГц, максимальное – 1 100 МГц при вносимом затухании от 30 до 60 дБ, что значительно расширяет диапазон частот помехоподавления по сравнению с опорными конденсаторами КДО и КО.

Таблица 2 Резонансная частота и вносимое затухание конденсаторов К10-85

Сном	ƒрез, МГц	Арез, дБ	Вносимое затухание А, дБ, не менее на частоте ƒ, МГц
			0,3	1	5	10	50	100	500	1 000
4,7 пФ	1 100	30	—	—	—	—	—	—	3	30
6,8 пФ	850		—	—	—	—	—	—	4	25
10,0 пФ	680		—	—	—	—	3	10	25	15
15,0 пФ	560		—	—	—	—	5	15	28	14
22,0 пФ	460	35	—	—	—	—	7	20	33	12
33,0 пФ	420		—	—	—	—	3	15	30	10
47,0 пФ	370		—	—	—	—	—	3	25
68,0 пФ	290		—	—	—	—	—	3	20
100,0 пФ	240	40	—	—	—	—	—	5	20
150,0 пФ	200		—	—	—	—	3	10	26
220,0 пФ	155		—	—	—	—	7	16	10
330,0 пФ	125		—	—	—	—	10	35	15	8
470,0 пФ	110	45	—	—	—	3	15	45	12
680,0 пФ	92		—	—	—	5	20	45
1 000 пФ	82		—	—	—	10	20	43
1 500 пФ	69		—	—	—	15	25	35
2 200 пФ	58		—	—	3	20	45	30
3 300 пФ	44		—	—	5	18	43	28
4 700 пФ	36		—	—	10	12	35	22	10
6 800 пФ	30		—	—	13	15	25	20
0,01 мкФ	23		—	3	14	18	28
0,015 мкФ	19		—	3	15	20	25
0,022 мкФ	15	50	0,5	10	30	35	25	20	10	8
0,033 мкФ	13		2	13	32	48
0,047 мкФ	10,5		5	18	35	50
0,068 мкФ	8,4		9	22	35	48
0,1 мкФ	6,5	55	14,5	25	41	44	20
0,15 мкФ	6,2		16	30	48	43
0,22 мкФ	5,5	60	19	20	55	35
0,33 мкФ	4,4		22	32	58

Фильтры Б24

Емкостным элементом фильтров Б24 и Б24-1 является трубчатый проходной керамический конденсатор. У фильтров Б24-1 (С-тип) внутренний электрод сплошной. У фильтров Б24
(Pi-типа) электрод выполнен из двух раздельных изолированных друг от друга поверхностей, образующих два емкостных элемента, емкость каждого из которых равна половине номинальной емкости фильтра. На проходящий через фильтр Б24 внутренний вывод надет ферромагнитный сердечник, создающий вместе с выводом индуктивный элемент. Фильтры выпускаются в трех вариантах исполнения: «а», «б» и «в» (рис. 5). Монтаж фильтров вариантов «а» и «б» осуществляется пайкой за корпус, а варианта «в» — при помощи резьбовой втулки М4.

Фильтры представлены следующими группами температурной стабильности: М750, М1500, М2200, М3300, Н30, Н20, Н50, Н70 и Н90. Номинальные емкости лежат в пределах от 43 до 10 000 пФ. Изделия рассчитаны на номинальные напряжения 100 и 250 В, обеспечивают вносимое затухание от 3 до 60 дБ. Масса фильтров составляет не более 1,5 г, длина корпуса – 10, 12 мм, диаметр трубки — 2,4 мм, резьба – М4.

Несмотря на хорошие массогабаритные характеристики, фильтры Б24 имеют два недостатка: ограниченный диапазон номинальных емкостей и низкую механическую прочность, так как основным элементом конструкции является керамическая трубка.

С 2008 года в серийном производстве появились фильтры в металлических корпусах Б25-3, Б25-4 (С-типа) с более широкими диапазонами номинальных напряжений и номинальных емкостей, с разными массогабаритными характеристиками в том числе и с массой 1,5 грамма. Позднее в 2009 году была разработана улучшенная серия фильтров Б26, включающая в себя номенклатуру фильтров Б25 и расширяющая ее, как в части увеличения значений емкостей и напряжений, так и за счет введения новых конструктивных решений – фильтров LC- и π-типов.

Фильтры Б26

Фильтры Б26 имеют металлический корпус типа «болт» (рис. 7), устойчивы к воздействию механических, климатических и биологических факторов в соответствии с требованиями, предъявляемыми к изделиям категории качества «ВП». Фильтры выпускаются трех типов:
Б26-1 – С-типа, Б26-2 – LC-типа и Б26-3 – π-типа. Емкостными элементами фильтров являются конденсаторы К10-81 (рис. 2). В качестве индуктивных элементов в фильтрах Б26-2, Б26-3 используются ферритовые трубчатые сердечники, надетые на проходной вывод. Однако они имеют индукцию насыщения около 0,3 Тесла, что ограничивает максимальное значение номинальных токов фильтров 10-15 А. Для фильтров Б26-3 с номинальным током 25 А применены низкопрофильные дроссельные магнитопроводы серии MSC [5]. Эти изделия при низкой магнитной проницаемости, равной 245, имеют максимальную магнитодвижущую силу до 66 А•виток, т.е. для одного витка (проходной вывод фильтров Б26) номинальный ток может достигать значения 66 А без снижения. В конструкции фильтра Б26-3 с номинальным током
15А используются магнитопроводы в сочетании с ферритовыми сердечниками, которые размещаются внутри отверстия магнитопровода на проходном выводе. Эта конструкция при низких значениях рабочего тока позволяет полностью использовать преимущество ферритовых сердечников, а при больших значениях – преимущества магнитопроводов.

Фильтры представлены следующими группами температурной стабильности: МП0, Н20, Н50 и Н90. Номинальные емкости лежат в пределах от 4,7 пФ до 22 мкФ. Линейка номинальных напряжений включает в себя напряжения: 32, 50, 100, 160, 250, 350, 500, 750 и 1000 В, а линейка номинальных токов – 10, 15 и 25 А. Фильтры обеспечивают вносимое затухание
до 85 дБ.

Масса малогабаритных фильтров Б26-1,2 с номинальным током 10 А, резьбой М4 и длинной корпуса 11 мм составляет 1,5 г. Масса остальных фильтров с номинальными токами 15 и 25 А меняется в зависимости от типоразмеров.

Следует отметить, что фильтры Б26-3 (π-типа) обеспечивают наибольшую крутизну АЧХ и максимальные значения вносимого затухания по сравнению с фильтрами С- и LC-типов. АЧХ фильтров С- и LC-типов довольно близки из-за относительно малых значений индуктивности индуктивных элементов фильтров.

Фильтры Б27 и Б30

Для габаритных размеров корпуса фильтра определяющим является диаметр шайбы конденсатора Для фильтров Б26 минимальный диаметр емкостного элемента равен 4,0 мм. Это ограничивало размеры указанных фильтров. Зарубежные фирмы производят шайбовые конденсаторы с наружным диаметром 1,25 мм (фирма «PA&E») и 2,5 мм (фирмы «API Technologies (бывший «Spectrum Control»), «Eurofarad»). С использованием таких конденсаторов эти фирмы выпускаются малогабаритные фильтры для монтажа пайкой (eyelet) и с резьбовым выводом. Для их импортозамещения были разработаны шайбовые конденсаторы с наружным диаметром 3,0 мм, а также малогабаритные фильтры Б27 С-типа для монтажа пайкой [6], Б30-1 С-типа и Б30-2 π-типа для монтажа с помощью резьбового вывода [7]. Размеры фильтров Б30 аналогичны размерам фильтров серий 4400 с метрической резьбой М3 (Metric Bushing Filters) фирмы «Tusonix», США.

Фильтры представлены следующими группами температурной стабильности: МП0, Н20, Н50. Материалы группы Н90 не использовались из-за большой нестабильности параметров при воздействии температуры и рабочего напряжения. Номинальные емкости лежат в пределах от 100 пФ до 22 мкФ. Линейка напряжений включает в себя напряжения: 50, 100, 160 и 250 В.

Максимальное номинальное напряжение фильтров из-за их небольших размеров составляет 250В, номинальный ток – 10 А. При этом превышение температуры поверхности фильтра над температурой окружающей среды не более 5°С. Крепление фильтров Б27 в аппаратуру осуществляют оплавлением низкотемпературной паяльной пасты. Перед этим фильтры обезжиривают этиловым спиртом. Рекомендуемый состав паяльной пасты: олово (массовая доля – 42%) и висмут (массовая доля – 58%). Температура оплавления паяльной пасты – (180±5)°С, время – не более 10 с. Кроме того, допускается пайка с помощью паяльника.

На рисунках 10 и 11 даны сравнительные АЧХ фильтров Б30-1 и Б30-2. На рисунке 10 наблюдается рост А с крутизной около 20 дБ/декаду до области появления резонансных спадов. Их резонансная частота увеличивается с уменьшением емкости и связана с частотой собственного резонанса конденсатора. Подобные резонансные спады имели место на всех АЧХ, как разработанных нами фильтров, так и исследованных импортных аналогов. Однако для фильтров всех зарубежных фирм в таблицах со значениями вносимого затухания на разных частотах резонансные спады не учитываются.

На АЧХ фильтров Б30-2 π-типа (рис. 11) наблюдаются три характерных участка поведения вносимого затухания:

·      Крутизна АЧХ вносимого затухания составляет 20 дБ/декаду, как у фильтров С-типа. Этот участок заканчивается на частоте (частоте среза), соответствующей резонансной частоте контура из параллельно включенных индуктивности и конденсаторов фильтра;

·      АЧХ вносимого затухания имеет максимальную крутизну (30-40 дБ/декаду), что характерно для фильтров этого типа. Максимальное значение вносимого затухания достигает 105 дБ;

·      Наблюдается некоторое снижение значений вносимого затухания.

В таблице 3 приведены значения гарантируемых техническими условиями значений вносимого затухания фильтров Б30-2 разных номинальных емкостей.

Таблица 3. Вносимое затухание фильтров Б30-2

Номинальная емкость	Вносимое затухание А, дБ, не менее на частоте ƒ, МГц
	0,3	1	3	10	30	50	100	300	1 000
150; 220 пФ	–	–	–	–	3	15	20	35	40
330 пФ	–	–	–	–	4	10	25	40	45
470 пФ	–	–	–	–	4	12	27	42	48
680 пФ	–	–	–	3	8	15	30	45	50
1 000 пФ	–	–	3	4	12	20	32	50	45
1 500 пФ	–	–	3	6	15	25	35	52	55
2 200 пФ	–	–	4	8	20	32	45	55
3 300 пФ	–	–	4	10	28	38	50	60

Продолжение таблицы 3

Номинальная емкость	Вносимое затухание А, дБ, не менее на частоте ƒ, МГц
	0,3	1	3	10	30	50	100	300	1 000
4 700 пФ	–	–	5	23	40	42	60	60	60
6 800 пФ	–	–	8	25	45	50
0,01 мкФ	–	3	9	32	48	60
0,015 мкФ	–	5	12	35	53		65	65
0,022 мкФ	–	6	13	38	58		60	60
0,033 мкФ	3	10	18	45	65	70	70	75	70
0,047 мкФ	3	13	21	55			75
0,068 мкФ	5	12	30	65	70		70	65
0,1; 0,15 мкФ	7	15	35	70	75	75	75	75
0,22 мкФ	15	25	50	75	80	80	80	80	75
0,33 мкФ	16	26	55	80
Примечание: Знак «–» означает, что вносимое затухание меньше 2 дБ

Чип-фильтры Б33

По завершении разработки фильтров Б33 в 2017 году электронная компонентная база пополниться первыми отечественными помехоподавляющими чип-фильтрами для поверхностного монтажа С-типа. Чип-фильтры являются аналогами серии NFM фирмы «Murata», а также SMD-чипов таких фирм как «Syfer», «API Technologies» (бывший «Spectrum Control») и других. Данные фильтры представлены во всех востребованных габаритных размерах: 1,6х0,8 (0603); 2х1.25 (0805); 3.2х1.25 (1205); 3.2х1.6 (1206); 4.5х1.6 (1806); 5.7х5.0 (2220) мм.

Рисунок 12. Внешний вид чип-фильтров Б33

За основу конструкции емкостных чип-фильтров принята базовая конструкция многослойного монолитного керамического конденсатора для поверхностного монтажа с чередующимися слоями керамического диэлектрика и металлических электродов. Особенностью конструкции чип-фильтров (рис. 13) является конфигурация внутренних электродов, обеспечивающая создание проходных электродов, выходящих на торцевые контактные площадки 1-2, и электродов, выходящих на боковую поверхность конденсатора 3. Эти электроды и образуют емкость с проходным электродом (емкость фильтра).

 

Рисунок 13. Конструкция и электрическая схема чип-фильтра

 Фильтры представлены следующими группами температурной стабильности: МП0, Н20, Н50. Материалы группы Н90 не использовались из-за большой нестабильности параметров при воздействии температуры и рабочего напряжения. Номинальные емкости лежат в пределах от 22 пФ до 2,2 мкФ. Линейка напряжений включает в себя напряжения: 16, 25, 50, 100 и 250 В. В отличие от чип-конденсатора у чип-фильтра есть еще один параметр: значение номинального тока. Номинальный ток — наибольший допустимый по условиям нагрева проходных электродов ток, при котором фильтры могут работать в течение предусмотренной ТУ наработки. Номинальный ток разработанных чип-фильтров Б33 лежит в пределах от 0,3 до 6,0 А.

Наиболее важной технической характеристикой чип-фильтра, определяющей эффективность его работы является вносимое затухание. Разработанные фильтры Б33 обеспечивают величину вносимого затухания до 60 дБ.

 

Рисунок 14. АЧХ чип-фильтра 3,2х1.6 мм, МП0, 250В, 0,5А, 47 пФ

 

Рисунок 15. АЧХ чип-фильтра 2,0х1.25 мм, Н20, 16В, 1.5А, 0,1 мкФ

 Литература

1.              Пассивные помехоподавляющие фильтры и элементы. Методы измерения вносимого затухания.
ГОСТ 13661-92, Комитет стандартизации и метрологии СССР, Москва.

2.              Method of insertion loss measurement, MILL-STD-220B.

3.              Патент на полезную модель №158534. Керамический опорный помехоподавляющий конденсатор.
Авторы: Смирнов В.Ф., Шалаева А.А., Кузьмичев З.В. Приоритет полезной модели 23 июня 2015 г.

4. Конденсаторы керамическиепомехоподавляющие К10-85, технические условия АДПК.673511.019 ТУ.

5.         Аморфные магнитомягкие сплавы, www.mstator.ru.

6.         Фильтры нижних частот Б27, технические условия АДПК.673511.005 ТУ.

7.         Фильтры нижних частот Б30, технические условия АДПК.673511.006 ТУ.