《電磁兼容原理與技術》課件第4章

第4章濾波技術

4.1電磁干擾濾波器4.2濾波器的分類及特性4.3常用濾波器元件習題4.1電磁干擾濾波器

濾波器的作用可以把不需要的電磁能量即電磁干擾減少到滿意的工作電平上,所以濾波器是抑制電磁干擾的重要方法之一,濾波器是防護傳導干擾的主要措施,如電源濾波器解決傳導干擾問題。濾波器同時也是解決輻射干擾的重要武器,如抑制無線電干擾。在發(fā)射機的輸出端和接收機輸入端安裝相應的電磁干擾濾波器,濾掉干擾的信號,以達到兼容的目的。4.1.1電磁干擾濾波器的工作原理

電磁干擾濾波器的工作原理與普通濾波器一樣,它能允許有用信號的頻率分量通過,同時又阻止其他干擾頻率分量通過。其工作方式有兩種:一種是不讓無用信號通過,并把它們反射回信號源;另一種是把無用信號在濾波器里消耗掉。4.1.2電磁干擾濾波器的特殊性

由于電磁干擾濾波器的作用是抑制干擾信號的通過,所以它與常規(guī)濾波器有很大的不同。

(1)電磁干擾濾波器應該有足夠的機械強度、安裝方便、工作可靠、重量輕、尺寸小及結構簡單等優(yōu)點。

(2)電磁干擾濾波器對電磁干擾抑制的同時,能在大電流和電壓下長期工作,對有用信號消耗要小,以保證最大傳輸效率。

(3)由于電磁干擾的頻率是20Hz到幾十吉赫茲,故難以用集中參數(shù)等效電路來模擬濾波電路。

(4)要求電磁干擾濾波器在工作頻率范圍內有比較高的衰減性能。

(5)干擾源的電平變化幅度大,有可能使電磁干擾濾波器出現(xiàn)飽和效應。

(6)電源系統(tǒng)的阻抗值與干擾源的阻抗值變化范圍大,很難得到使用穩(wěn)定的恒定值,所以電磁干擾濾波器很難工作在阻抗匹配的條件下。4.1.3濾波器的插入損耗描述濾波器性能的最主要參量是插入損耗,插入損耗的大小隨工作頻率不同而改變。插入損耗的定義是

(4-1)

式中:V1——信號源通過濾波器在負載阻抗上建立的電壓(V);

V2——不接濾波器時信號源在同一負載阻抗上建立的電壓(V);

Lm——插入損耗(dB)。頻率特性是指插入損耗隨頻率變化的曲線。濾波器的頻率特性必須達到設計的要求,為此目的,和濾波器連接的負載阻抗值以及連接的信號源阻抗值也必須符合設計要求。另外,濾波器還必須有足夠高的額定電壓,以保證能經受浪涌或脈沖干擾的惡劣電磁環(huán)境。4.2濾波器的分類及特性4.2.1反射式濾波器反射式濾波器是指由電感器和電容器組成的,能阻止無用信號通過,并把它們反射回信號源的濾波器。其種類有四種:低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器和帶阻濾波器。每種濾波器的衰減特性如圖4-1所示。圖4-1反射式濾波器的衰減特性

1.低通濾波器低通濾波器是指低頻通過、高頻衰減的一種濾波器。它是電磁干擾技術中應用最多的一種濾波器。常用于直流或者交流電源線路,對高于市電的頻率進行衰減;用于放大器電路和發(fā)射機輸出電路,讓基波信號通過,而諧波和其他亂真信號受到衰減;艦船電網(wǎng)里均采用低通濾波器。所以低通濾波器成為我們討論的重點。

(1)并聯(lián)電容低通濾波器。如圖4-2所示,如果源阻抗和負載阻抗相等,則插入損耗為

(4-2)F=πfRC式中:Lin——插入損耗(dB);

f——工作頻率(Hz);

R——源或者負載阻抗(Ω);

C——濾波電容(F)。

(2)串聯(lián)電感低通濾波器。如圖4-3所示,源阻抗和負載阻抗相等時,插入損耗為

(4-3)

式中:Lin——插入損耗(dB);

L——濾波電感(H)。圖4-2并聯(lián)電容低通濾波器圖4-3串聯(lián)電感低通濾波器

(3)L型低通濾波器。單一元件的濾波器的缺點是帶外衰落速率只有6dB／倍頻程,把單個串聯(lián)電感和并聯(lián)電容組合形成一個L型結構的濾波器,則得到12dB／倍頻程。如果源阻抗和負載阻抗相等,則濾波器的插入損耗與插入線路中的方向無關。L型低通濾波器的電路結構如圖4-4所示。(4-4)式中:Lin——插入損耗(dB);

f0——截止頻率(Hz)。圖4-4L型低通濾波器

(4)π型濾波器。π型低通濾波器的線路如圖4-5所示。在寬波段內具有高的插入損耗,體積也較適中。當源阻抗與負載阻抗都為R時,其插入損耗為(4-5)

式中:Lin——插入損耗(dB);

f0——截止頻率(Hz)。圖4-5π型低通濾波器

(5)T型低通濾波器。T型低通濾波器的線路如圖4-6所示。當源阻抗和負載阻抗均為R時,插入損耗為(4-6)式中:Lin——插入損耗(dB);

f0——截止頻率(Hz)。低通濾波器的插入損耗曲線如圖4-7所示。其阻尼因子有三種情況:d<1,d=1,d>1。當d=1時,為最佳阻尼,是理想的頻響曲線,衰減比較平坦。圖4-6T型低通濾波器圖4-7濾波器損耗曲線圖

2.高通濾波器在降低電磁干擾上,高通濾波器雖不如低通濾波器應用廣泛,但也有用途。特別是這種濾波器一直被用于從信號通道上濾除交流電流頻率或抑制特定的低頻外界信號。設計高通濾波器時,均采用倒轉方法,凡滿足倒轉原則的低通濾波器可以很方便地變成所需要的高通濾波器。倒轉原則就是將低通濾波器的每一個線圈換成一個電容器,而每一個電容器換成一個線圈,就可變成高通濾波器。這一方法的根據(jù)是電感器與電容器互為可逆元件,使2πfaL=1/(2πfbC),即在已知支路中頻率為fa的電感器L

的阻抗值與頻率為fb的電容器的阻抗相等,而使LC=10－12。結果是高通濾波器在頻率為fb的衰減與低通濾波器在頻率為fb的衰減相等,則

例如,低通濾波器如圖4-8所示,若低通濾波器的截止頻率為10kHz,則高通濾波器的截止頻率約為2.5MHz。圖4-8低通轉換成高通濾波器圖

3.帶通濾波器帶通濾波器是對通帶之外的高頻及低頻干擾能量進行衰減,其基本構成方法是由低通濾波器經過轉換而成為帶通濾波器。帶通濾波器電路結構如圖4-9所示。帶通濾波器并接于干擾線和地之間,以消除電磁干擾信號,達到兼容的目的。圖4-9帶通濾波器的電路結構

4.帶阻濾波器帶阻濾波器是指用于對特定窄頻帶(在此頻帶內可能產生電磁干擾)內的能量進行衰減的一種濾波器,帶阻濾波器通常是串聯(lián)于干擾源與干擾對象之間,帶阻濾波器結構如圖4-10所示。圖4-10帶阻濾波器電路結構(a)在諧振頻率上給出高阻抗;(b)在諧振頻率上給出低阻抗(這兩種電路的邊緣下降為6dB/倍頻程,因而對負載、對電源不能提供良好的匹配);(c)和(d)在L、π或T型電路結構中使用并聯(lián)或串聯(lián)調諧元件,可以改善帶阻的性能;(e)雙T陷波濾波器作為帶阻濾波器(在低頻時,即1MHz以下,Q值為100的數(shù)量級。但在高頻時效用降低)反射式濾波器的各種濾波器的應用選擇,由濾波器形式、干擾源阻抗和干擾對象阻抗(負載阻抗)之間的組合關系確定。使用電源干擾抑制濾波器時,遵循輸入端、輸出端最大限度失配的原則,以求獲得最佳抑制效果,如表4-1所示。當源阻抗和負載阻抗都比較小時,應選用T型或者串聯(lián)電感型濾波器;當源阻抗和負載阻抗都比較大時,應選用π型濾波器或者并聯(lián)電容濾波器;當源阻抗和負載阻抗相差較大時,應選用L型濾波器。表4-1濾波器的應用選擇4.2.2吸收式濾波器吸收式濾波器是由有耗元件構成的,它通過吸收不需要頻率成分的能量(轉化為熱能)來達到抑制干擾的目的。盡管一些濾波器的輸入/輸出阻抗可指望在一個相當寬的頻率范圍內與指定的源和負載阻抗相匹配,但在實際情況中這種匹配往往不存在。例如,電源濾波器幾乎不能實現(xiàn)與其連續(xù)的電源線阻抗相匹配。另一個例子是發(fā)射機諧波濾波器的設計,一般是使其在基頻上與發(fā)射機的輸出阻抗相匹配,而不一定在它的諧波頻率上匹配。正因為存在這種失配,所以很多時候當把一個濾波器插入傳輸干擾的線路時,實際上在線路上將形成干擾電壓的增加而不是減小。這個缺陷存在于所有低損耗元件構成的濾波器中,這正是反射濾波器的缺點。因為,當濾波器和源阻抗不匹配時,一部分有用能量將被反射回能源,這將導致干擾電平的增加而不是減小,因而促使了吸收濾波器的產生,即用吸收濾波器來抑制不需要的能量(使之轉化為熱耗)。

1.有損耗濾波器

為了消除LC型低通濾波器的頻率諧振和要求終端負載阻抗匹配的弊端,使電磁干擾濾波器能在較寬的頻率范圍里具有較大的衰減。人們根據(jù)介電損耗和磁損耗原理研究出一種損耗濾波器。其基本原理是選用具有高損耗系數(shù)或高損耗角正切的電介質,把高頻電磁能量轉換成熱能。在50Ω測試系統(tǒng)里,具有高損耗系數(shù)的電介質的截止頻率大于10MHz。有一種具有電氣密封的損耗石墨,截止頻率可達到10GHz。實際使用中是將鐵氧體一類物質制成柔軟的磁管,可以在絕緣或非絕緣的導體上滑動,這種磁管稱為電磁干擾抑制管。柔軟性磁管的磁導率與磁環(huán)和磁條相比要低一些。圖4-11表示鐵氧體低通濾波器的損耗特性。圖4-11鐵氧體低通濾波器的損耗特性由于磁管沒有飽和特性和諧波特性,所以可以使用在0以上的頻率范圍內。電磁干擾抑制管的工作原理類似于磁環(huán)或磁條,在10MHz附近有一個等效的磁導率,這就增加了被抑制導線的電感量,如圖4-12所示。在低頻上,電磁干擾抑制管也適于跟具有金屬化屏蔽層的電容器一起使用。當電磁干擾抑制管當作低通濾波器使用,并應用在電源匯流條時,磁管材料對任何直流、50Hz、400Hz電源線電流均不會產生飽和現(xiàn)象。圖4-12電磁干擾抑制管等效原理圖R—導磁性材料損耗;L—附加串聯(lián)電感電磁干擾抑制管可以套在標準電纜或電線上屏蔽低頻電場或磁場,不會引起直流或電源頻率損耗。其典型特性如圖4-13所示。圖4-13電磁干擾抑制管的典型特性在高頻范圍里應用鐵氧體磁環(huán)來抑制電磁干擾,它可以等效為電感線圈、電阻與電容并聯(lián)的電路。它的感抗和阻抗均為頻率的函數(shù)。圖4-14表示鐵氧體磁環(huán)阻抗和感抗的特性曲線。圖4-14鐵氧體環(huán)阻抗和感抗特性曲線鐵氧體阻抗一般由下式決定:

損耗角的正切值為

式中:R——磁環(huán)的等效電阻(Ω);

i——磁環(huán)的長度(mm);

μ′——磁導率的實部;

μ″——磁導率的虛部。鐵氧體高頻損耗能量主要正比于μ′,故應選擇μ′或tanα比較大的材料。若單個磁環(huán)阻抗已知,則幾個磁環(huán)阻抗為nZf,按圖4-15等效電路圖計算插入衰減:(4-7)

式中:nZf——幾個磁環(huán)阻抗(Ω);

ZS——磁環(huán)電源邊阻抗(Ω);

Zl——磁環(huán)負載邊阻抗(Ω)。圖4-15衰減量等效電路圖

2.有源濾波器用無源元件制造的電磁干擾濾波器有時龐大而笨重,使用晶體管的有源濾波器可以不需要過大的體積和重量就能提供較大值的等效L和C。對低頻低阻抗電源電路用有源濾波器更為合適,此濾波器的特點是尺寸小,重量輕,功率大,有效抑制頻帶寬度。這種濾波器通常有三種類型,如圖4-16所示。圖4-16有源電磁干擾濾波器

(1)模擬電感線圈的頻率特性,給干擾信號一個高阻抗電路,稱做有源電感濾波器。

(2)模擬電容器的頻率特性,將干擾信號短路到地,稱做有源電容濾波器。

(3)一種能產生與干擾電源幅值同樣大小、方向相反的電流,通過高增益反饋電路將電磁干擾對消掉的電路稱作對消濾波器。在交流電源線中,采用對消干擾技術是最有效的方法。對消濾波器具有很高的效能,通過自動調諧器把濾波器的頻率調到電源頻率上,使濾波器僅能通過電源頻率的信號。即使負載和源阻抗很低(1Ω以下)時,也可得到30dB的衰減值。若要得到更高的衰減值時,可將濾波器進行聯(lián)級。

3.電纜濾波器電纜濾波器就是將具有一定磁導率和電導率的柔軟性鐵氧體磁芯包在載流線上,然后在磁芯上再密結一層磁導線,用來增加正常的集膚效應,提高對高頻干擾的吸收作用。外面再加一層高壓絕緣,就成了電纜濾波器。4.2.3電源線濾波器設計示例

電源線上呈現(xiàn)的干擾可分為共模及差模兩種。這些干擾見圖4-17(a),其中Ic及Id分別為共模電流及差模電流。如圖4-17(b)所示,插在電源線進入點的電源線電磁干擾濾波器旨在保證電源線上攜帶的干擾不進入需由電源線饋電的設備,反之設備上的干擾也不會進入電源線。大量現(xiàn)代設備及數(shù)字電路均由開關式電源進行饋電,這類電源會產生電磁噪聲,這時必須保證這種射頻噪聲不要注入電源線。圖4-17電源線電磁干擾濾波器電源線電磁干擾濾波器的一種常用結構如圖4-17(c)所示。此處Cx及Cy為線對線電容器及線對地電容器,L1為繞在共同芯子上有相等繞組的兩個電感器,L2為繞在分開的芯子上的兩個分開的電感器,Lg則為任意的接地扼流圈。當直流地要與射頻地保持分離狀態(tài)時需用接地扼流圈。連在濾波器電路內的兩個電感器L1的極性應使電源(線)電流I1在兩個電感器內反向流動,因此不會被衰減。與此類似,由于極性關系差模電流Id也不會被衰減。另一方面,在兩個電感中的共模電流產生的磁場是同相的。因此電流會被衰減。而且由于兩條線中通過的共模電流Ic是恒等的,因此電容器Cx對它們不會產生任何影響。根據(jù)這種考慮,共模與差模電磁干擾電流的有效等效電路可表示為圖4-17(d)及4-17(e)。電感Ll為共模電感L1的泄漏電感,因為L1兩個電感間無耦合所以不能相消。電容器Cx具有0.1～0.5μF的較高數(shù)值,而Cy值在0.001～0.01μF范圍內。電源線濾波器基本是低通濾波器,理想狀況對電源線頻率(50／60Hz)應不呈現(xiàn)衰減,但對10kHz～30

MHz頻率范圍的射頻噪聲則要產生衰減。在某個試驗電源線濾波器中Cx=0.22μF,Cy=0.0022μF,L1=110μH,L2=315μH,該濾波器測得的性能見圖4-17(f)。濾波器呈現(xiàn)低通特性,在10MHz附近對共模干擾出現(xiàn)最大衰減,而約在20MHz時對差模干擾出現(xiàn)最大衰減。在頻率高達100MHz時對兩種干擾都呈現(xiàn)40dB的最低衰減。4.3常用濾波器元件4.3.1電容器電容器是電路中最基本的元件之一,利用電容濾除電路上的高頻騷擾和對電源解耦是所有電路設計人員都熟悉的。但是,隨著電磁干擾問題的日益突出,特別是干擾頻率的日益提高,由于不了解電容的基本特性而達不到預期濾波效果的事情時有發(fā)生。下面將介紹一些容易被忽略的影響電容濾波性能的參數(shù),以及使用電容器抑制電磁干擾時需要注意的事項。

1.實際電容器的特性電容器是基本的濾波器件,在低通濾波器中作為旁路器件使用。利用它的阻抗隨頻率升高而降低的特性,起到對高頻干擾旁路的作用。但是,在實際使用中一定要注意電容器的非理想性。

(1)實際電容器的等效電路。實際電容器的電路模型如圖4-18所示,它是由等效電感(ESL)、電容(C)和等效電阻(ESR)構成的串聯(lián)網(wǎng)絡。電感分量是由引線和電容結構所決定的,電阻是介質材料所固有的。電感分量是影響電容頻率特性的主要指標,因此,在分析實際電容器的旁路作用時,用LC串聯(lián)網(wǎng)絡來等效。圖4-18實際電容器的等效電路

(2)對濾波特性的影響。實際電容器的特性如圖4-19所示,當角頻率為1/LC時,會發(fā)生串聯(lián)諧振,這時電容的阻抗最小,旁路效果最好。超過諧振點后,電容器的阻抗特性呈現(xiàn)電感阻抗的特性——隨頻率的升高而增加,旁路效果開始變差。這時,作為旁路器件使用的電容器就開始失去旁路作用。圖4-19實際電容器的頻率特性理想電容的阻抗隨著頻率的升高而降低,而實際電容的阻抗具有如圖4-19所示的頻率特性,在頻率較低時,呈現(xiàn)電容特性,即阻抗隨頻率的增加而降低,在某一點發(fā)生諧振,在這點電容的阻抗等于等效串聯(lián)電阻ESR。在諧振點以上,由于ESL的作用,電容阻抗隨著頻率的升高而增加,這是電容呈現(xiàn)電感的阻抗特性。在諧振點以上,由于電容的阻抗增加,因此對高頻噪聲的旁路作用減弱,甚至消失。電容的諧振頻率由ESL和C共同決定,電容值或電感值越大,則諧振頻率越低,也就是電容的高頻濾波效果越差。ESL除了與電容器的種類有關外,電容的引線長度是一個十分重要的參數(shù),引線越長,則電感越大,電容的諧振頻率越低。因此在實際工程中,要使電容器的引線盡量短,電容器的正確安裝方法和不正確安裝方法如圖4-20所示。圖4-20濾波電容器的正確安裝方法與錯誤安裝方法根據(jù)LC電路串聯(lián)諧振的原理,諧振點不僅與電感有關,還與電容有關,電容越大,諧振點越低。許多人認為電容器的容值越大,濾波效果越好,這是一種誤解。電容越大對低頻干擾的旁路效果雖然好,但是由于電容在較低的頻率發(fā)生了諧振,阻抗開始隨頻率的升高而增加,因此對高頻噪聲的旁路效果變差。表4-2是不同容量瓷片電容器的自諧振頻率,電容的引線長度是1.6mm。表4-2不同容量瓷片電容器的自諧振頻率盡管從濾除高頻噪聲的角度看,不希望有電容諧振,但是電容的諧振并不總是有害的。當要濾除的噪聲頻率確定時,可以通過調整電容的容量,使諧振點剛好落在騷擾頻率上。電磁兼容設計中使用的電容要求諧振頻率盡量高,這樣才能夠在較寬的頻率范圍(10kHz～1GHz)內起到有效的濾波作用。提高諧振頻率的方法有兩個,一個是盡量縮短引線的長度;另一個是選用電感較小的材料,從這個角度考慮,陶瓷電容是最理想的一種電容。

(3)溫度的影響。由于電容器中的介質參數(shù)受到溫度變化的影響,因此電器的電容值也隨著溫度變化。不同的介質隨溫度變化的規(guī)律不同,有些電容器的容量當溫度升高時會減小70％以上,常用的濾波電容為瓷介質電容,瓷介質電容器有超穩(wěn)定型:COG或NPO,穩(wěn)定型:X7R,和通用型:Y5V或Z5U共三種。不同介質的電容器的溫度特性如圖4-21所示。圖4-21不同介質電容器的溫度特性從圖4-21中可以看到,COG電容器的容量幾乎隨溫度沒有變化,X7R電容器的容量在額定工作溫度范圍變化12％以下,Y5V電容器的容量在額定工作溫度范圍內變化70％以上。這些特性是必須注意的,否則會出現(xiàn)濾波器在高溫或低溫時性能變化而導致設備產生電磁兼容問題。

COG介質雖然穩(wěn)定,但介質常數(shù)較低,一般在10～100范圍內,因此當體積較小時,容量較小。X7R的介質常數(shù)高得多,為2000～4000,因此較小的體積能產生較大的電容,Y5V的介質常數(shù)最高,為5000～25000。圖4-22電容器的電壓特性許多人在選用電容器時,片面追求電容器的體積小,這種電容器的介質雖然具有較高的介質常數(shù),但溫度穩(wěn)定性很差,從而導致設備的溫度特性變差。這在選用電容器時要特別注意,尤其是在軍用設備中。

(4)電壓的影響。電容器的電容量不僅隨著溫度變化,還會隨著工作電壓的變化而變化,這一點在實際工程中必須注意。不同介質材料的電容器的電壓特性如圖4-22所示。從圖中可以看出,X7R電容器在額定電壓狀態(tài)下,其容量降為原始值的70％,而Y5V電容器的容量降為原始值的30％。了解了這個特性,在選用電容時要在電壓或電容量上留出余量,否則在額定工作電壓狀態(tài)下,濾波器會達不到預期的效果。當綜合考慮溫度和電壓的影響時,電容器的變化如圖4-23所示。圖4-23電容器的溫度/電壓特性

2.電容器的主要參數(shù)

(1)標稱容量及允許誤差。電容器的外殼表面上標出的電容量值稱為電容器的標稱容量。標稱容量與實際容量之間的偏差與標稱容量之比的百分數(shù)稱為電容器的允許誤差。常用電容器的允許誤差有±0.5％、±1％、±2％、±5％、±10％和±20％。

(2)工作電壓。電容器在使用時,允許加在其兩端的最大電壓值稱為工作電壓,也稱耐壓或額定工作電壓。使用時,外加電壓最大值一定要小于電容器的額定工作電壓,通常外加電壓應在額定工作電壓的2/3以下。

(3)絕緣電阻。電容器的絕緣電阻表征電容器的漏電性能,在數(shù)值上等于加在電容器兩端的電壓除以漏電流。絕緣電阻越大,漏電流越小,電容器質量越好。品質優(yōu)良的電容器具有較高的絕緣電阻,一般在兆歐級以上。電解電容器的絕緣電阻一般較低,漏電流較大。

3.電容器的標注方法電容器的型號一般由四部分組成。第一部分:主稱(用字母C表示);第二部分:材料(用字母表示),例如:Z——紙介,Y——云母,C——瓷介,B——聚苯乙烯,L——滌綸,D——鋁(電解),A——鉭(電解);第三部分:分類(一般用數(shù)字表示,個別類型用字母表示);例如:電容器(云母、有機)1,2——非密封,3,4——密封;第四部分:序號(用數(shù)字表示)。電容器的基本單位是法拉(F),這個單位太大,常用的單位是微法(μF)、納法(nF)、皮法(pF),1F=103mF=106μF=109nF=1012pF。電容器的容量、誤差和耐壓都標注在電容器的外殼上,其標注方法有直標法、文字符號法、數(shù)字法和色標法。

(1)直標法。直標法是將容量、偏差、耐壓等參數(shù)直接標注在電容體上,常用于電解電容器參數(shù)的標注。

(2)文字符號法。使用文字符號法時,容量的整數(shù)部分寫在容量單位符號的前面,容量的小數(shù)部分寫在容量單位符號的后面,例如,2.2pF記作2p2,4700pF等于4.7nF,可記作4n7。允許誤差,D表示±0.5％,F表示±1％,G表示±2％,J表示±5％,K表示±10％,M表示±20％。

(3)數(shù)字法。在一些瓷片電容器上,常用三位數(shù)字表示標稱電容,單位為pF。三位數(shù)字中,前兩位表示有效數(shù)字,第三位表示倍率,即表示有效值后面“0”的個數(shù)。例如,電容器標出為103,表示其容量為10×103pF=10000pF=0.01μF;電容器標出為682J,表示其容量為68×102pF=6800pF,允許誤差為±5％。

(4)色標法。這種表示方法與電阻器的色環(huán)表示方法類似,其顏色所代表的數(shù)字與電阻器的色環(huán)完全一致,單位為pF。

4.電容器的分類電容器按結構可分為固定電容器、可變電容器、微調電容器;按介質可分為空氣介質電容器、固體介質(云母、獨石、陶瓷、滌綸等)電容器及電解電容器;按有無極性可分為有極性電容器和無極性電容器。其中,云母、獨石電容器具有較高的耐壓性;電解電容器有極性,且具有較大的容量。

5.電容器使用的注意事項

(1)電容器的耐壓。每個電容器都有一定的耐壓程度。使用時應保持實際電壓比額定電壓低20％～30％,不要十分接近,更不要超過其額定電壓值,以免由于電源電壓波動而將電容器擊穿,進而損壞其他元器件。

(2)環(huán)境溫度。氣溫炎熱和柜內通風不良都會使電容器環(huán)境溫度升高。如果超過+60℃,電容器會很快老化、干枯。為了避免環(huán)境溫度升高,可采用強迫通風的方法。同時在設計、安裝時注意不要把大功率線繞電阻或其他發(fā)熱元件放在電容器旁邊。

(3)電解電容器極性。電解電容器在使用時必須注意極性,不允許反接,否則將使電容器被擊穿,使電容短路。同時,電解電容器不宜使用在交流電路中,但可用在脈沖電路中。

(4)電容器產生的干擾噪聲。電容器使用不當也會造成噪聲源。例如,鋁電解和鉭電解電容器常用作電源濾波或脈沖耦合電容。在處理微小信號的電路中,這些電容會因為漏電,或由于其他某些原因(如溫度變化)而形成新的噪聲源。又如FET等高輸入阻抗電路的旁路電容,若容量發(fā)生變化也會產生噪聲。

6.各種電容器的特點及主要應用場合

電容器性能的一般分類如表4-3所列,各類電容器的主要應用場合如表4-4所列。表4-3電容器性能的一般分類表4-4各類電容器的主要應用場合

Ⅰ類陶瓷電容器的電容量在0.5～80pF之間,最佳允許誤差為±1％,其電容量穩(wěn)定性較好,隨時間、溫度、電壓和頻率的變化很小,可用在溫度穩(wěn)定性要求高或補償電路中其他元件特性隨溫度變化的場合。Ⅱ類陶瓷電容器電容量在0.5～104pF之間,其允許誤差為±10％和±20％兩種。其電壓系數(shù)隨介電常數(shù)的增加而非線性地變大,交流電壓增加會使電容量及損耗角正切增加,溫度穩(wěn)定性隨介電常數(shù)的增加而降低,因此不適于精密應用。云母、玻璃電容器容量在0.5～104pF之間,最佳允許誤差為±1％,具有高絕緣電阻、低功率系數(shù)、低電感和優(yōu)良的穩(wěn)定性等特點,特別適于高頻應用,在500MHz的頻率范圍內,性能優(yōu)良，可用于要求容量較小、品質系數(shù)高以及溫度、頻率和時間穩(wěn)定性好的電路中,也可用作高頻耦合和旁路,或在調諧電路中作固定電容器元件。云母、玻璃介質電容器本質上可互換。云母價廉,但體積較大。紙和塑料或聚酯薄膜電容器電容量范圍較大,可從10pF至幾十微法,最小允許誤差為±2％,可用于要求高溫下具有高而穩(wěn)定的絕緣電阻,在寬溫度范圍內具有良好的電容穩(wěn)定性。金屬化電容器采用金屬化聚碳酸醋薄膜,有良好的自愈性能。但自愈也會明顯增加背景噪聲,在通信電路中使用需注意。金屬化電容器在自愈中也會產生0.5～2V電壓的迅速波動,因此不宜在脈沖或觸發(fā)電路中使用。固體鉭電解電容器的電容量在0.1～470μF之間,最小允許誤差為±5％。固體鉭電容器是軍用設備中使用最廣泛的電解電容器,與其他電解電容器相比,相對體積較小,對時間和溫度呈良好穩(wěn)定性;缺點是電壓范圍窄(6～120V),漏電流大,主要用于濾波、旁路、耦合、隔直流及其他低壓電路中。在設計晶體管電路、定時電路、移相電路及真空管柵極電路時,應考慮到漏電流和損耗角正切的影響。非固體鉭電解電容器的電容量在0.2～100μF之間,特點是體積小,耐壓高(5～450V)。漏電流小(后兩個特點都是與固體鉭電解電容器相比而言的),主要用于電源濾波、旁路和大電容量值的能量儲存。無極性非固體鉭電解電容器適用于交流或可能產生直流反向電壓的地方,如低頻調諧電路、計算機電路、伺服系統(tǒng)等。鋁電解電容器的特點是電容量大(1～65000μF),體積小,價格低,最好用在60～100kHz頻率范圍內。一般用于濾除低頻脈沖直流信號分量和電容量精度要求的場合。由于不能承受低溫和低氣壓,所以一般只能用于地面設備。4.3.2電感

1.實際電感的特性一段導線就構成了一個電感。要獲得較大的電感量,需要將導線繞成線圈。線圈的芯材可以有兩種,一種是非磁性的(空氣),一種是磁性的。磁性磁芯又有閉合磁路的和開放磁路的。電感的非理想性:實際的電感器除了電感參數(shù)以外,還有寄生電阻和電容。其中寄生電容的影響更大。理想電感的阻抗隨著頻率的升高成正比增加,這正是電感對高頻干擾信號衰減較大的根本原因。但是,由于匝間寄生電容的存在,實際的電感器等效電路是一個LC并聯(lián)網(wǎng)絡。當角頻率為1/時,會發(fā)生并聯(lián)諧振,這時電感的阻抗最大,超過諧振點后,電感器的阻抗呈現(xiàn)電容阻抗特性——隨頻率增加而降低。電感的電感量越大,往往寄生電容也越大,電感的諧振頻率越低,實際電感的等效電路如圖4-24所示,頻率特性如圖4-25所示。圖4-24實際電感的等效電路圖4-25實際電感的頻率特性說明:①實際電感在諧振頻率以下比理想電感的阻抗更高,在諧振點達到最大。利用這個特性,可以通過調整電感的電感量和繞制方法使電感在特定的頻率上諧振,從而抑制特定頻率的干擾。②由于開放磁芯會產生漏磁,因此會在電感周圍產生較強的磁場,對周圍的電路產生干擾。為了避免這個問題,盡量使用閉合磁芯。③與漏磁現(xiàn)象相反的是開放磁芯電感對外界的磁場也十分敏感(收音機內的磁性天線就是一個利用這個特性的例子),因此,要注意電感拾取外界噪聲而增加電路敏感度的問題。為了防止上述電感本身的電磁兼容問題,往往將電感屏蔽起來。當頻率較高時,可以用銅或鋁等導電性良好的材料;當頻率較低時,要采用高磁導率的材料。電感線圈電感量的估算:繞制線圈時,怎樣估算線圈的電感量呢?如果能夠得到磁芯的詳細技術參數(shù),當然可以利用公式計算電感量。但是大多數(shù)場合,我們手頭只有一個現(xiàn)成的磁芯,想用這個磁芯制作一個電感。這時,可以先在這個磁芯上繞9匝,用電感表測量其電感量,設讀數(shù)為L0,如果你需要的電感量為L,應該繞制的匝數(shù)N為

(4-8)

2.電感的主要參數(shù)電感的主要參數(shù)有電感量、品質因數(shù)、標稱電流值、穩(wěn)定性等。

(1)電感量。電感量的基本單位是亨利,用字母H表示。當通過電感線圈的電流每秒鐘變化1A所產生的感應電動勢是1V時,線圈的電感是1H。線圈電感量的大小主要取決于線圈的圈數(shù)、繞制方式及磁芯材料等。線圈圈數(shù)越多,繞制的線圈越密集,電感量越大;線圈內有磁芯的比無磁芯的大;磁芯導磁率越大,電感量越大。電感的換算單位有毫亨(mH)、微亨(μH)、納亨(nH),其單位換算關系為1H=103mH=106μH=109nH電感線圈的允許誤差為±(0.2％～20％)。通常,用于諧振回路的電感線圈精度比較高,而用于耦合回路、濾波回路、換能回路的電感線圈精度比較低,有的甚至無精度要求。精密電感線圈的允許誤差為±(0.2％～0.5％)。耦合回路電感線圈的允許誤差為±(10％～15％)。高頻阻流圈、鎮(zhèn)流器線圈等的允許誤差為±(10％～20％)。

(2)品質因數(shù)。品質因數(shù)是衡量電感線圈質量的重要參數(shù),用字母Q表示。Q值的大小表明了線圈損耗的大小,Q值越大,線圈的損耗就越小;反之就越大。品質因數(shù)Q在數(shù)值上等于線圈在某一頻率的交流電壓下工作時,線圈所呈現(xiàn)的感抗和線圈的直流電阻的比值,即式中:Q為電感線圈的品質因數(shù)(無量綱);L

為電感線圈的電感量(H);R

為電感線圈的直流電阻(Ω);f為電感線圈的工作電壓頻率(Hz)。

(3)分布電容。任何電感線圈,其匝與匝之間、層與層之間、線圈與參考地之間、線圈與磁屏蔽之間等都存在一定的電容,這些電容稱為電感線圈的分布電容。若將這些分布電容綜合在一起,就成為一個與電感線圈并聯(lián)的等效電容C。當電感線圈的工作電壓頻率高于線圈的固有頻率時,其分布電容的影響就超過了電感的作用(見電感線圈固有頻率f0的計算表達式),使電感變成了一個小電容。因此,電感線圈必須工作在小于其固有頻率下。電感線圈的分布電容是十分有害的,在其制造中必須盡可能地減小分布電容。減小分布電容的有效措施有:①減小骨架直徑;②在滿足電流密度的前提下,盡可能地選用細一些的漆包銅線;③充分利用可用繞線空間對線圈進行間繞法繞制;④采用多股蜂房式線圈。

(4)標稱電流值。標稱電流值是指電感線圈在正常工作時允許通過的最大電流,也稱做額定電流。若工作電流大于額定電流,線圈就會因發(fā)熱而改變其原有參數(shù),甚至被燒毀。

(5)參數(shù)穩(wěn)定性。參數(shù)穩(wěn)定性指線圈參數(shù)隨環(huán)境條件變化而變化的程度。線圈在使用過程中,如果環(huán)境條件(如溫度、濕度等)發(fā)生了變化,則線圈的電感量及品質因數(shù)等參數(shù)也隨著改變。例如,當溫度變化時,由于線圈導線受熱后膨脹,使線圈產生幾何變形,從而引起電感量的變化。為了提高線圈的穩(wěn)定性,可從線圈制作上采取適當措施,例如,采用熱繞法對繞制線圈的導線通上電流,使導線變熱,然后繞制成線圈。這樣,導線冷卻后收縮,緊緊貼在骨架上,線圈不易變形,從而提高了穩(wěn)定性。濕度變化會引起線圈參數(shù)的變化,如濕度增加時,線圈的分布電容和漏電都會增加。為此,要采取防潮措施,減小濕度對線圈參數(shù)的影響。

3.電感線圈的標注方法

LGA型固定磁芯電感的外形結構與電阻相似,采用的是圓柱形磁芯。由于體積較小,故它們的電感量相對偏小(0.22～1000μH),常用于頻率較高的精密電路。LGA型電感元件均為塑裝臥式元件。LGA型電感標注采用文字符號法、數(shù)字法、色標法。①LGA型電感元件的標注方法1如圖4-26所示。例如:

1R8K表示電感的電感量標稱值為1.8μH,允許誤差為±10％。

5R6M表示電感的電感量標稱值為5.6μH,允許誤差為±20％。圖4-26LGA型電感元件的標注方法1②LGA型電感元件的標注方法2如圖4-27所示。例如:

331K表示電感的電感量標稱值為330μH,允許誤差為±10％。

820M表示電感的電感量標稱值為82μH,允許誤差為±20％。圖4-27LGA型電感元件的標注方法2③LGA型電感元件的標注方法3如圖4-28所示。例如:

R560K表示電感的電感量標稱值為56μH,允許誤差為±10％。

R821M表示電感的電感量標稱值為820μH,允許誤差為±20％。圖4-28LGA型電感元件的標注方法3

4.克服電感寄生電容的方法要拓寬電感的工作頻率范圍,最關鍵的是減小寄生電容。電感的寄生電容與匝數(shù)、磁芯材料(介電常數(shù))、線圈的繞法等因素有關。用下面的方法可以減小寄生電容。

(1)盡量單層繞制:當空間允許時,盡量使線圈為單層,并使輸入/輸出遠離。

(2)多層繞制的方法:當線圈的匝數(shù)較多,必須多層繞制時,要向一個方向繞,邊繞邊重疊,不要繞完一層后,再往回繞。

(3)分段繞制:在一個磁芯上將線圈分段繞制,這樣每段的電容較小,并且總的寄生電容是兩段上的寄生電容的串聯(lián),總容量比每段的寄生容量小。

(4)多個電感串聯(lián)起來:對于要求較高的濾波器,可以將一個大電感分解成一個較大的電感和若干電感量不同的小電感,將這些電感串聯(lián)起來,可以使電感的帶寬擴展。但這付出的代價是體積增大和成本升高。另外要注意與電容并聯(lián)同樣的問題,即引入了額外的串聯(lián)諧振點,諧振點上電感的阻抗很小。

5.共模扼流線圈當電感中流過較大電流時,電感會發(fā)生飽和,導致電感量下降。共模扼流圈可以避免這種情況的發(fā)生。

(1)共模扼流圈的結構:將傳輸電流的兩根導線(例如,直流供電的電源線和地線,交流供電的火線和零線)按照圖4-29所示的方法繞制。這時,兩根導線中的電流在磁芯中產生的磁力線方向相反,并且強度相同,剛好抵消,所以磁芯中總的磁感應強度為0,因此磁芯不會飽和。而對于兩根導線上方向相同的共模干擾電流,則沒有抵消的效果,會呈現(xiàn)較大的電感。由于這種電感只對共模干擾電流有抑制作用,而對差模電流沒有影響,因此稱做共模扼流圈。圖4-29共模扼流圈的構造

(2)制作方法:電流的去線和回線要滿足流過它們的電流在磁芯中產生的磁力線抵消的條件。對于沒有很高絕緣要求的信號線,可以采用雙線并繞的方法構成共模扼流圈,但對于交流電源線,考慮到兩根導線之間必須承受較高的電壓,必須分開繞制。

(3)共模扼流圈寄生差模電感:理想的共模扼流圈上的兩根導線產生的磁通完全抵消,磁芯永遠不會飽和,并且對差模電流沒有任何影響。但實際的共模扼流圈兩組線圈產生的磁力線不會全集中在磁芯中,而會有一定的漏磁,這部分漏磁不會抵消,因此還是有一定的差模電感。

(4)寄生差模電感的優(yōu)點:由于寄生差模電感的存在,共模扼流圈可以對差模干擾有一定的抑制作用。在設計濾波器時,可以將這種因素考慮進來。

(5)寄生差模電感的危害:寄生差模電感會導致電感磁芯飽和,而且從磁芯中泄漏出來的差模磁場會形成新的輻射干擾源。

(6)影響寄生差模電感的因素:與線圈的繞制方法和線圈周圍物體的磁導率等有關。例如,將共模扼流圈放進鋼制小盒中,會增加差模電感。

(7)差模電感的測量方法:將共模扼流圈一端的兩根導線短接,在另一端上測量線圈的電感。4.3.3鐵氧體EMI抑制元件

吸收式濾波器由有耗器件構成,在阻帶內,有耗器件將電磁騷擾的能量吸收后轉化為熱損耗,從而起到濾波作用。鐵氧體材料就是一種廣泛應用的有耗器件,可用來構成低通濾波器。鐵氧體是一種立方晶格結構的亞鐵磁性材料。它的制造工藝和機械性能與陶瓷相似。但顏色為黑灰色,故又稱黑磁性瓷。鐵氧體的分子結構為MO·Fe2O3,其中MO為金屬氧化物,通常是MnO或ZnO。

1.鐵氧體的特性導線穿過鐵氧體磁芯構成的電感的阻抗雖然在形式上隨著頻率的升高而增加,但是在不同頻率上,其機理是完全不同的。如圖4-30所示,在低頻段,阻抗由電感的感抗構成。此時,磁芯的磁導率較高,因此電感量較大,并且這時磁芯的損耗較小,整個器件是一個低損耗、高Q值特性的電感,這種電感容易造成諧振。因此在低頻段,有時會有干擾增強的現(xiàn)象。在高頻段,阻抗由電阻成分構成,隨著頻率升高,磁芯的磁導率降低,導致電感的電感量減小,感抗成分減小。但是,這時磁芯的損耗增加,電阻成分增加,導致總的阻抗增加。當高頻信號通過鐵氧體時,電磁能量以熱的形式耗散掉。圖4-30鐵氧體的頻率特性鐵氧體的等效電路在低頻和高頻時是不同的。低頻時是一個電感,高頻時是隨頻率變化的電阻。電感與電阻有著本質的區(qū)別。電感本身并不消耗能量,而僅儲存能量,因此,電感會與電路中的電容構成諧振電路,使某些頻率上的干擾增強。電阻是要消耗能量的,從實質上減小干擾。當穿過鐵氧體的導線中流過電流時,會在鐵氧體磁芯中產生磁場,當磁場的強度超過一定量值時,磁芯發(fā)生飽和,磁導率急劇降低,電感量減小。因此,當濾波器中流過較大的電流時,濾波器的低頻插入損耗會發(fā)生變化。高頻時,磁芯的磁導率已經較低,并且高頻時主要靠磁芯的損耗特性工作,因此,電流對濾波器的高頻特性影響不大。

2.鐵氧體的應用鐵氧體的應用主要有以下三個方面:

(1)低電平信號應用;

(2)電源變換與濾波;

(3)電磁騷擾抑制。不同的應用對鐵氧體材料的特性及鐵氧體芯的形狀有不同的要求。在低電平信號應用中,所要求的鐵氧體材料的特性由磁導率決定,并且鐵氧體芯的損耗要小,還要具有好的磁穩(wěn)定性,即隨時間和溫度變化其改變不大。鐵氧體在這方面的應用包括高Q值電感器,共模電感器,寬帶、匹配脈沖變壓器,無線電接收天線和有源、無源天線。在電源應用方面,要求鐵氧體材料在工作頻率和溫度上具有高的磁通密度和低損耗的特點。在這方面的應用包括開關電源、磁放大器、DC-DC變換器、電源線濾波器、觸發(fā)線圈和用于電車電源蓄電池充電的變壓器。在抑制電磁騷擾應用方面,對鐵氧體性能影響最大的是鐵氧體材料的磁導率,它直接與鐵氧體芯的阻抗成正比。鐵氧體一般通過三種方式來抑制無用的傳導或輻射信號。首先,不太常用的是將鐵氧體作為實際的屏蔽層來將導體、元器件或電路與環(huán)境中的散射電磁場隔離開。其次,是將鐵氧體用作為電感器,以構成低通濾波器,在低頻時提供感性-容性通路,而在較高頻率時損耗較大。最后,最常用的應用是將鐵氧體芯直接用于元器件的引線或線路板級電路上。在這種應用中,鐵氧體磁芯能抑制任何寄生振蕩和衰減感應或傳輸?shù)皆骷€上或與之相連的電纜線中的高頻無用信號。在第二和第三種應用中,鐵氧體芯通過消除或極大地衰減電磁騷擾源的高頻電流來抑制傳導騷擾。采用鐵氧體能提供足夠高的高頻阻抗來減小高頻電流。從理論上講,理想的鐵氧體能在高頻段提供高阻抗,而在所有其他頻段上提供零阻抗。但實際上,鐵氧體芯的阻抗是依賴于頻率的,在頻率低于1MHz時,其阻抗最低,對于不同的鐵氧體材料,最高的阻抗出現(xiàn)在10～500MHz之間。

3.鐵氧體EMI抑制元件的應用鐵氧體抑制元件廣泛應用于PCB、電源線和數(shù)據(jù)線上。

(1)鐵氧體EMI抑制元件在PCB上的應用。EMI設計的首要方法是抑源法,即在PCB上的EMI源處將EMI抑制掉。這個設計思想是將噪音限制在小的區(qū)域,避免高頻噪音耦合到其他電路,而這些電路通過連線可能產生更強的輻射。

PCB上的EMI源來自數(shù)字電路,其高頻電流在電源線和地之間產生一個共模電壓降,造成共模騷擾。電源線或信號線上的去耦電容會將IC開關的高頻噪音短路,但是去耦電容常常會引起高頻諧振,造成新的騷擾。在電路板的電源進口處加上鐵氧體抑制磁珠會有效地將高頻噪音衰減掉。

(2)鐵氧體EMI抑制元件在電源線上的應用。電源線會把外界電網(wǎng)的騷擾、開關電源的噪音傳到主機。在電源的出口和PCB電源線的入口設置鐵氧體抑制元件,既可抑制電源與PCB之間的高頻騷擾的傳輸,又可抑制PCB之間高頻噪音的相互騷擾。值得注意的是,在電源線上應用鐵氧體元件時有偏流存在。鐵氧體的阻抗和插入損耗隨著偏流的增加而減少。當偏流增加到一定值時,鐵氧體抑制元件會出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。在EMC設計時要考慮飽和時插入損耗降低的問題。鐵氧體的磁導率越低,插入損耗受偏流的影響越小,越不易飽和。所以用在電源線上的鐵氧體抑制元件,要選擇磁導率低的材料和橫截面積大的元件。當偏流較大時,可將電源的出線(AC的火線,DC的正線)與回線(AC的中線,DC的地線)同時穿入一個磁管。這樣可避免飽和,但這種方法只抑制共模噪音。

(3)鐵氧體抑制元件在信號線上的應用。鐵氧體抑制元件最常用的地方就是信號線,例如,在計算機中,EMI信號會通過主機到鍵盤的電纜傳入到主機的驅動電路,而后耦合到CPU,使其不能正常工作。主機的數(shù)據(jù)或噪音也可通過電纜線輻射出去。鐵氧體磁珠可用在驅動電路與鍵盤之間,將高頻噪音抑制。由于鍵盤的工作頻率在1MHz左右,數(shù)據(jù)可以幾乎無損耗地通過鐵氧體磁珠。扁平電纜也可用專用的鐵氧體抑制元件,將噪音抑制在其輻射之前。

4.鐵氧體EMI印制元件的選擇

鐵氧體抑制元件有多種材料、形狀和尺寸供選擇。為選擇合適的抑制元件,使其對噪音的抑制更有效,設計者必須知道需要抑制的EMI信號的頻率和強度、要求抑制的效果,即插入損耗值,以及允許占用的空間,包括內徑、外徑和長度尺寸。不同的鐵氧體抑制材料,有不同的最佳抑制頻率范圍,與初始磁導率有關。通常材料的初始磁導率越高,適用抑制的頻率就越低。下面是常用的幾種抑制鐵氧體材料的適用頻率范圍:初始磁導率最佳抑制頻率范圍