Введение в вносимые потери и характеристики конденсатора фильтра

пользователя Энтони Кенни. Конденсаторы используются как в аналоговых, так и в цифровых схемах для удаления нежелательных сигналов. Эффективность фильтрации конденсатора или схемы фильтрации обычно описывается в терминах вносимых потерь. Некоторые из факторов, которые существенно влияют на характеристики вносимых потерь схемы фильтрации, включают конфигурацию фильтрующих элементов, импеданс и ток нагрузки.

Фильтрация электромагнитных помех в цепях
Электрические помехи, как естественные, так и искусственные, могут существенно повлиять на работу электронной схемы. Эти нежелательные сигналы в совокупности известны как электромагнитные помехи (EMI). Схемы фильтрации используются в большинстве аналоговых и цифровых схем для устранения этих нежелательных сигналов. Некоторые из наиболее распространенных источников этих сигналов включают освещение, штормы, осадки, линии электропередач, двигатели, системы зажигания, радиолокационные передатчики, усилители мощности, компьютерные часы и космические источники.

Конфигурация элементов в фильтрующем контуре в значительной степени определяет его фильтрующую способность. Простейшая конфигурация фильтрации, широко известная как фильтр C, состоит из одного проходного конденсатора. Эффективность схемы фильтрации улучшается за счет использования комбинации емкостных и индуктивных элементов. Некоторые из наиболее распространенных конфигураций включают конструкции L-C, T и Pi. Увеличение количества емкостных и индуктивных элементов помогает улучшить производительность схемы фильтрации.

избранное изображение:диаграмма вносимых потерь для различных топологий фильтров; источник: С.Нельсон, средний

Характеристики вносимых потерь конденсаторов и цепей
Одним из ключевых факторов, которые следует учитывать при выборе конденсатора для фильтрации электромагнитных помех, являются его характеристики вносимых потерь. Этот параметр обычно определяется как отношение напряжения до и после добавления фильтра. В базовой схеме значение получается путем деления значений напряжения, полученных до и после вставки фильтрующего компонента. Этот параметр во многом определяет уровень ослабления цепи фильтрации. Характеристики вносимых потерь схемы или компонента обычно выражаются в децибелах.

Обычные конденсаторы не обладают хорошими характеристиками вносимых потерь. Наличие собственной индуктивности снижает их способность заземлять нежелательные электрические помехи. Эта остаточная индуктивность увеличивается с увеличением длины электродов. Кроме того, чем уже электрод, тем выше индуктивность. Чтобы уменьшить эту нежелательную индуктивность и улучшить фильтрующие характеристики конденсаторов, необходимо изменить архитектуру этих пассивных компонентов. Изменение архитектуры конденсатора и добавление третьего вывода помогает минимизировать остаточную индуктивность. Проходные конденсаторы, особый класс емкостных элементов, которые широко используются для приложений фильтрации, основаны на этой модифицированной архитектуре.

В конденсаторах с двумя выводами остаточная индуктивность выше, поскольку выводы компонента действуют как индукторы. Введение третьей клеммы помогает уменьшить составляющую индуктивности последовательно с емкостной составляющей. Это значительно улучшает характеристики вносимых потерь конденсатора. За счет уменьшения этой остаточной индуктивности частота собственного резонанса фильтрующего конденсатора увеличивается.

Проходные конденсаторы специально разработаны для обеспечения исключительных характеристик вносимых потерь. Эти конденсаторы широко используются для подавления и обхода электромагнитных помех. Наиболее распространенными конструкциями керамических проходных конденсаторов, используемых в современных схемах фильтрации, являются дискоидальные и трубчатые конденсаторы. Проходные конденсаторы с пластиковой пленкой обычно используются в приложениях, требующих высокой надежности.

Изменение вносимых потерь в зависимости от частоты
Характеристики вносимых потерь идеальных и реальных конденсаторов немного отличаются. Вносимые потери идеального конденсатора возрастают с увеличением частоты. Для сравнения, вносимые потери реального компонента увеличиваются с частотой до определенного уровня. Этот уровень известен как частота собственного резонанса. После этого уровня вносимые потери фактического компонента уменьшаются с увеличением частоты.

На частотах выше, чем резонансная частота, характеристики вносимых потерь фильтра не изменяются, если остаточная индуктивность поддерживается постоянной. Увеличение или уменьшение емкости компонента в этих условиях не влияет на вносимые потери. Это означает, что для подавления шума на высоких частотах требуется конденсатор с высокой частотой собственного резонанса. Для таких целей следует использовать компоненты с небольшой остаточной индуктивностью.

Факторы, определяющие эффективность вносимых потерь
Характеристики вносимых потерь схемы или компонента определяются многими факторами; К числу основных факторов относятся электрическая конфигурация, ток нагрузки, полное сопротивление источника, полное сопротивление нагрузки, полное сопротивление заземления, характеристики диэлектрических материалов компонентов и целостность экранирования.

Конфигурация компонентов
Хотя для удаления нежелательных сигналов можно использовать отдельные элементы, в большинстве схем фильтрации используется комбинация емкостных и индуктивных компонентов. Выбор конфигурации в основном определяется желаемыми характеристиками вносимых потерь. Наиболее распространенные конфигурации включают C, C-L, L-C, Pi и T. См. Рисунок ниже:

Теоретически одноэлементный фильтр дает вносимые потери 20 дБ за декаду, а двухэлементный фильтр дает 40 дБ за декаду. Схемы фильтрации с тремя или более элементами могут дать даже лучшие характеристики вносимых потерь. Цепи фильтрации с несколькими емкостными и индуктивными элементами используются в цепях, где требуется высокая степень фильтрации. Фактические характеристики вносимых потерь определяются фактическими характеристиками используемых компонентов. Эта информация обычно предоставляется в таблицах данных. При выборе конфигурации схемы фильтрации важно учитывать сопротивление источника и нагрузки.

Ток нагрузки
Влияние тока нагрузки на вносимые потери в значительной степени определяется свойствами используемых фильтрующих элементов. Для схем фильтрации с индуктивными элементами вносимые потери могут снизиться, если используются ферритовые индукторы. Степень этого эффекта зависит от конкретных характеристик ферритового материала.

Полное сопротивление цепи
Характеристики вносимых потерь схемы фильтрации во многом зависят от импеданса источника и нагрузки. Эти характеристики обычно оптимизируются путем выбора подходящей конфигурации емкостных и индуктивных элементов.

Заключение
Конденсаторы используются как в аналоговых, так и в цифровых схемах для удаления нежелательных сигналов. Эффективность фильтрации конденсатора или схемы фильтрации обычно описывается в терминах вносимых потерь. Некоторые из факторов, которые существенно влияют на характеристики вносимых потерь схемы фильтрации, включают конфигурацию фильтрующих элементов, импеданс и ток нагрузки.

Обычные конденсаторы не дают хороших характеристик вносимых потерь, и трехконтактные компоненты используются, когда требуется лучшая производительность. Для достижения оптимальных характеристик вносимых потерь используются схемы фильтрации, состоящие из нескольких емкостных и индуктивных элементов.