Для чего нужен ферритовый фильтр на кабеле

Каждый пользователь компьютера видел на кабелях ПК цилиндрические утолщения. Многие знают, что это утолщение представляет собой фильтр, помогающий бороться со сбоями. Что это за фильтр, его принцип работы, назначение, характеристики, применение – обо всем этом пойдет речь далее.

Фильтры на кабелях персонального компьютера
Фильтры на кабелях персонального компьютера

Электромагнитные импульсные помехи

В современном мире человека окружают приборы, работающие на принципе создания электрических импульсов. Эти импульсы могут иметь частоту следования от нескольких килогерц в сетевых адаптерах для мобильных гаджетов до нескольких гигагерц в персональных компьютерах. Эти импульсы излучаются в окружающее пространство в виде электромагнитных волн соответствующей частоты. Волны могут быть приняты антенной, роль которой могут играть отрезки кабеля или провода любой длины. Принятые волны в «антенне» создают вторичные импульсы, которые служат помехой для «полезных» импульсов. Это может вызвать сбои в работе различных устройств.

Чем длиннее «антенна», тем эффективнее она принимает помеховый сигнал и тем больше вероятность неправильной работы устройства, к которому подключен кабель.

Проблема усугубляется тем, что создаваемые импульсы имеют резко несинусоидальную форму (прямоугольную и т.п.). Это означает, что они имеют широкий спектр, который создает «электромагнитный смог» в широком диапазоне частот. Так, импульсный блок питания, работая на частоте в несколько десятков килогерц, на гармониках «мусорит» в участке до нескольких мегагерц.

Индуктивное сопротивление

Простой, но эффективный способ бороться с нежелательными сигналами – ослабить их, установив в цепи сопротивление. Но обычный резистор ослабит и полезный сигнал и ограничит ток в цепях питания. Более подходящие свойства в данном направлении имеет индуктивность.

Индуктивностью, как величиной, характеризующей магнитные свойства электрической цепи, обладает проводник любой формы, даже отрезок прямого провода. Но его индуктивность будет невелика. Её можно значительно увеличить, намотав из провода катушку. В общем случае индуктивность зависит от количества витков, геометрических размеров катушки, наличия сердечника и т.п. Формулы для её расчета громоздки, и не учитывают всех параметров, влияющих на величину индуктивности на практике, поэтому во многих случаях лучше её замерить по факту.

Цепь, обладающая индуктивностью, в цепях переменного и импульсного тока вносит в цепь дополнительное сопротивление, называемое индуктивным (точнее, реактивным сопротивлением индуктивного характера). Это сопротивление повышается с ростом частоты, а формула зависимости выглядит, как

Xl=2*π*F*L

где:

  • Xl – индуктивное сопротивление, Ом;
  • π – число «пи»;
  • F – частота, Гц;
  • L – индуктивность, Генри.

Очевидно, что цепь с одной и той же индуктивностью для сигнала с большей частотой будет иметь более высокое сопротивление.

Ферритовый фильтр

Индуктивность удобно использовать в случаях, когда надо «отсечь» высокочастотные помехи от относительно низкочастотного полезного сигнала (или от постоянного напряжения питания). Для этого можно намотать катушку индуктивности прямо из соединительного провода. Постоянный ток и низкочастотный сигнал такое устройство не заметят – для них сопротивление будет низким. А импульсы высокой частоты такая индуктивность задержит.

Такое решение не очень удобно – на кабеле будет находиться громоздкая и неудобная катушка. Выход есть – использование ферритов. Эти материалы могут работать на высоких частотах и обладают высокой магнитной проницаемостью µ. Последнее свойство означает, что катушка индуктивности, намотанная на феррите, обладает индуктивностью в µ раз большей, чем намотанная на «воздушном» сердечнике. Кроме того, существует такое в целом вредное явление, как потери в сердечнике – часть энергии импульсов поглощается ферритом. В данном случае это полезно и улучшает защиту, но ведет к определенному нагреву сердечника.

Катушка индуктивности на ферритовом кольце
Катушка индуктивности на ферритовом кольце

Такая катушка намного меньше обычной при той же индуктивности, но всё равно она будет громоздкой и неудобной. Но можно просто пропустить провод сквозь кольцо – получится катушка из одного витка. Если кольцо сделать в виде цилиндра, диаметр которого ненамного больше диаметра кабеля, то получится компактная индуктивность, не создающая неудобств.

Ферритовый фильтр – катушка из одного витка
Ферритовый фильтр – катушка из одного витка

Такова практическая реализация ферритового фильтра. В бытовых приборах можно встретить фильтры, изготовленные из ферритовых трубочек с проницаемостью 600…800, внешним диаметром до полутора сантиметров и длиной около 3 см.

Насколько эффективен такой одновитковый фильтр? По данным расчетов и практических замеров, провод, пропущенный через такую ферритовую трубку может иметь индуктивность до 3 микрогенри (мкГн). На различных частотах он вносит индуктивное сопротивление:

  • на частоте 100 Гц – 0,0002 Ом;
  • 10 кГц – 0,2 Ом;
  • 100 кГц – 1,88 Ом;
  • 1 МГц – 18,8 Ом;
  • 50 МГц – 950 Ом;
  • 100 МГц – 2 кОм.

Очевидно, что на частотах до 1 МГц сопротивление катушки не оказывает практического влияния, а становится заметным лишь для импульсов, частотой в несколько десятков мегагерц, достигая нескольких кОм и эффективно гася помехи. Следовательно, чем выше частота, тем лучше работает такой фильтр.

Эквивалентная схема фильтра
Эквивалентная схема фильтра

Напрашивается вывод, что с повышением частоты такой фильтр будет иметь сопротивление, возрастающее до бесконечности. На самом деле далеко не все так просто.

Индуктивность без ёмкости и омического сопротивления существует только на бумаге. Реальная катушка индуктивности будет иметь омическое сопротивление провода (в данной реализации оно будет пренебрежимо маленьким и на практике) и паразитную (конструктивную) ёмкость, обусловленную конструкцией катушки. Эта ёмкость невелика (единицы пикофарад), и на низких частотах не будет иметь никакого влияния.

Формула зависимости сопротивления конденсатора от частоты выглядит, как

Xc=1/(2*π*C)

где С – ёмкость в фарадах.

В отличие от индуктивности, сопротивление конденсатора на нулевой частоте равно бесконечности, а с ростом частоты падает. Чем выше частота, тем больше емкостная проводимость шунтирует индуктивность, создавая обходной путь для ВЧ помех и снижая эффективность фильтрации.

Поэтому зависимость сопротивления фильтра от частоты имеет ярко выраженный пик, после которого следует резкий спад. Знание этого факта ведет к пониманию особенностей ферритового фильтра и к осознанности его применения. Например, у ферритового фильтра с индуктивностью 3 мкГн и паразитной ёмкостью в 1 пФ пик максимального сопротивления находится в районе 100 МГц.

Расчётное и измеренное значение импеданса ферритового фильтра в полосе частот от 1 до 1000 МГц
Расчётное и измеренное значение импеданса ферритового фильтра в полосе частот от 1 до 1000 МГц

График зависимости сопротивления индуктивного фильтра от частоты напоминает график резонанса колебательного контура. И это так – паразитная ёмкость с полезной индуктивностью образуют параллельный колебательный контур, сопротивление которого максимально на частоте резонанса.

Как увеличить сопротивление ферритового фильтра

Чтобы увеличить сопротивление ферритового фильтра и повысить защищенность прибора, надо увеличить индуктивность. Это можно сделать применением феррита с более высокой магнитной проницаемостью.

Другой способ – увеличить продольный размер (длину) трубки. Это можно сделать применением трубок с большей длиной или надеть на провод несколько фильтров.

И еще один метод – вместо одного витка попробовать сделать два или три, несколько раз пропустив провод через проходное отверстие трубки. Это тоже приведет к увеличению индуктивности и реактивного сопротивления фильтра.

Фильтр из нескольких витков
Фильтр из нескольких витков

Все перечисленные способы, помимо повышения индуктивности, ведут к увеличению и паразитной ёмкости. Рассчитать это увеличение заранее на практике почти невозможно, и это надо учитывать при оценке эффективности работы ферритового фильтра.

Другие типы ферритовых фильтров

При промышленном производстве на кабель надевают ферритовую трубочку и заключают её в защитный изолирующий кожух. Для самостоятельной установки можно приобрести фильтры, имеющие разъёмную конструкцию. Такой фильтр состоит из двух ферритовых половинок цилиндра и кожуха с защёлками. Можно подобрать фильтр подходящего диаметра под кабель, а можно взять размер побольше, и попробовать сделать несколько витков.

Конструкция разъёмного ферритового фильтра
Конструкция разъёмного ферритового фильтра

Для установки на печатные платы для защиты цепей питания от импульсных помех применяют ферритовые фильтры в виде «бусин» (ferrit bead). Они бывают в исполнении true hole – для «дырочного» монтажа. Такие фильтры можно встретить на старых компьютерных платах.

Ферритовые бусины для монтажа true hole
Ферритовые бусины для монтажа true hole

В настоящее время идет тотальный переход к SMD-монтажу, как к более технологичному и позволяющему уменьшить размеры плат. Ферритовые бусины выпускаются и для такого монтажа.

Ферритовая бусина (обозначена как FB200) на плате с SMD-монтажом
Ферритовая бусина (обозначена как FB200) на плате с SMD-монтажом

Ферритовые фильтры получили большое распространение из-за простоты конструкции, эффективности работы и возможности широкого изменения параметров при производстве путем изменения марки и размера ферритового сердечника. В ближайшей перспективе альтернативы им не просматривается.

Похожие статьи:
Ссылка на основную публикацию
OdinElectric.ru - Сайт об электрике и для электриков Adblock
detector