CC BY
42
УДК 621.311.62 DOI: https://doi.org/10.34680/2076-8052.2019.4(116).30-33
СТЕНД ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПАССИВНЫХ ПОМЕХОПОДАВЛЯЮЩИХ ФИЛЬТРОВ ДЛЯ ИВЭП
Д.П.Никитин*, Р.В.Петров**, Ф.И.Букашев***, А.А.Сапожников*, А.А.Абросимов*
STAND FOR MEASURING PARAMETERS OF PASSIVE NOISE SUPPRESSION FILTERS FOR POWER SUPPLIES
D.P.Nikitin*, R.V.Petrov**, F.I.Bukashev***, A.A.Sapozhnikov*, A.A.Abrosimov*
*АО «Группа компаний «Электронинвест», Зеленоград, Москва
**Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого, Roman.Petrov@novsu.ru
Статья посвящена исследованиям в области измерения параметров пассивных помехоподавляющих фильтров в соответствии с требованиями ГОСТ 13661-92 «Совместимость технических средств электромагнитная. Пассивные помехоподавляющие фильтры и элементы. Методы измерения вносимого затухания». Обеспечение электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств — сложная и актуальная задача, для решения которой требуется комплекс технических и организационных мероприятий. Одним из относительно простых и недорогих решений является применение пассивных помехоподавляющих фильтров. Были проведены комплексные исследования методик проверки вносимого затухания пассивных помехоподавляющих фильтров. В составе стенда были разработаны и изготовлены симметрирующие трансформаторы, измерен их коэффициент симметрии. Выяснено, что параметры симметрирующего трансформатора в первую очередь определяются качеством намотки и монтажа трансформатора внутри корпуса. В качестве примера в статье приведено проектирование и изготовление разделительного устройства и симметрирующего трансформатора. Ключевые слова: фильтр электромагнитных помех, электромагнитные помехи, измерительный стенд, симметрирующий трансформатор
The paper is devoted to research in the area of measuring the parameters of passive noise suppressing filters in accordance with the requirements of GOST 13661-92 "Electromagnetic compatibility of technical facilities. Passive noise suppression filters and elements. Methods for measuring of attenuation". Ensuring of radio-electronic facilities electromagnetic compatibility is a complex and relevant task, which requires a system of technical and organizational actions. One of the relatively simple and inexpensive solutions is the use of passive noise suppression filters. Comprehensive studies were carried out on the methods of checking the introduced attenuation of passive noise suppressing filters. As part of the stand, symmetrical transformers were developed and manufactured, their symmetry coefficient was measured. The parameters of the symmetrical transformer are primarily determined by the quality of winding and mounting of the transformer inside the casing as it was found in the study. As an example, design and manufacturing technology of the separation device and the symmetrical transformer is presented.
Keywords: EMI filter, electromagnetic interference, measuring equipment, balancing transformer
1. Введение
Обеспечение электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств — сложная и актуальная задача, для решения которой иногда требуется комплекс технических и организационных мероприятий. Одним из относительно простых и недорогих решений является применение пассивных помехоподав-ляющих фильтров или, как их называют, фильтров электромагнитных помех. АО «Группа компаний «Электронинвест» в настоящее время разрабатывает целую серию таких фильтров для полосы частот 0,130 МГц. Для правильной и достоверной оценки полученных нами результатов необходимо измерять вносимое затухание фильтров при помощи измерительного стенда по ГОСТ 13661. В стандарте в целом довольно подробно изложены технические требования и конструктивные параметры большинства элементов измерительного стенда. Наиболее сложным элементом оказался симметрирующий трансформатор, поскольку стандарт приводит только один параметр — его критерий годности, и не содержит никаких требований к его конструкции.
Требования ГОСТ 13661-92:
Вносимое затухание элементов и фильтров для подавления электромагнитных помех измеряют методом отношения или методом замещения. При измерениях методом отношения напряжений вносимое затухание определяют как отношение напряжений на выходе схемы измерения без элемента или фильтра и с ним.
Измерения методом отношений производят отсчетом напряжений по измерительному приемнику. Допускается проводить измерения с отсчетом напряжений по генератору сигналов. В этом случае вносимое затухание определяют как отношение напряжений на входе схемы измерения. Номинальное входное сопротивление (2вхс) симметричной схемы измерения должно быть в пределах круга с КСВн не более 1,5 относительно волнового сопротивления (20), равного 50 или 75 Ом.
Коэффициент симметрии симметричной схемы измерения должен быть не менее 26 дБ. При измерениях вносимого затухания по симметричной схеме в случаях применения генератора сигналов с несимметричным выходом и измерительного приемника с
несимметричным входом следует использовать симметрирующие трансформаторы. При измерении характеристик помехоподавляющих фильтров в конкретных случаях их применения в условиях нормальной эксплуатации для оценки вносимого затухания уровень помех от конкретного устройства измеряется сначала без элемента или фильтра, а затем с ними. При невозможности измерения характеристик элемента или фильтра в условиях эксплуатации может быть использована модель (имитатор) реального устройства — источника помех.
Измерительная аппаратура и вспомогательное оборудование должны обеспечивать проведение измерений вносимого затухания во всей требуемой полосе частот и при максимальном рабочем токе или напряжении. При измерениях должны применяться измерительные приборы и вспомогательное оборудование с соответствующими техническими характеристиками:
— развязывающие аттенюаторы с собственным затуханием не менее 10 дБ; КСВн, нормальным значением волнового сопротивления со стороны измеряемого элемента или фильтра;
— симметрирующий трансформатор с КСВн, номинальным значением входного и выходного сопротивлений и соответствующим коэффициентом симметрии;
— кабели, коаксиальные переходы и соединители, а также другие устройства, включаемые в схему измерений, с КСВн и номинальным волновым сопротивлением; точность измерения для вносимого затухания не более 80 дБ — не хуже ±4 дБ; для вносимого затухания более 80 дБ — не хуже ± 6 дБ.
При измерениях с рабочим током или напряжением применяются разделительные устройства, отделяющие измерительную цепь высокой частоты от цепей низкочастотного рабочего тока и источник рабочего тока или напряжения.
1 о
о г
тн
I L
Н1--
I
4J
Рис.1. Схема разделительного устройства для полосы частот 0,1-30 МГц: 1 — к генератору или приемнику, 2 — к измеряемому фильтру, 3 — к источнику тока или напряжения
Разделительное устройство, изображенное на рис.1, согласно ГОСТ 13661-92, имеет следующие характеристики: С — безындуктивный конденсатор емкостью 0,1 мкФ, С2 — проходной конденса-
тор 1 мкФ/100 А, L — дроссель с секционированной обмоткой. Семь секций, в каждой секции 20 витков пятью слоями шириной по 20 мм, расстояние между секциями 6 мм. Провод диаметром 4 мм с хлопчатобумажной изоляцией. Разомкнутый ферритовый сердечник: семь 220-миллиметровых стержней из никель-цинкового феррита диаметром 8 мм с магнитной проницаемостью 200. Длина дросселя — 176 мм, диаметр дросселя — 75 мм, индуктивность дросселя L = 1,2 мГн.
Для изготовления стенда по симметричной схеме измерения нам необходимо было изготовить четыре разделительных устройства и два симметрирующих устройства, так как анализатор спектра RIGOL DSA 815, используемый нами в качестве генератора и приемника, имеет несимметричные входы.
а)
б)
Рис.2. Схемы включения разделительных устройств в симметричную схему измерения при нагрузке источником тока (а) и при нагрузке источником напряжения (б)
Обе схемы, изображенные на рис.2, включают в себя: 1 — генератор сигналов; 2 — развязывающий аттенюатор 10 дБ; 3 — разделительное устройство; 4 — источник тока, в случае схемы (а) и напряжения, в случае схемы (б); 5 — измеряемый фильтр; 6 — разделительное устройство; 7 — развязывающий аттенюатор 10 дБ; 8 — измерительный приемник.
2. Изготовление разделительных устройств и симметрирующих трансформаторов
Для изготовления разделительных устройств были использованы разомкнутые ферритовые сердечники ROD 8/200 - 4В1 в количестве 7 штук. Дроссель с секционированной обмоткой имеет семь секций, в каждой секции 20 витков пятью слоями шириной по 20 мм каждая, длина дросселя — 176 мм, диа-
метр дросселя — 75 мм, индуктивность — 1,2 мГн. Для удобства были разработаны и изготовлены при помощи 3D принтера секции для намотки и фиксации ферритовых стержней. Намотка производилась в четыре провода литцендрат 70^0,1 мм2. Также были использованы два проходных конденсатора: С1 - безындуктивный конденсатор К73-21б-250 В_/127 В~-4 А-0,1 мкФ и проходной конденсатор С2 — КБП - Ф 1 мкФ ± 10 % - 500 В- / 220 В~ 70А. Вся конструкция расположена в алюминиевом корпусе G0234. Разделительное устройство изображено на рис.3.
Рис.3. Разделительное устройство, изготовленное согласно схеме рис.1
Главной проблемой, с которой мы столкнулись при разработке и изготовлении стенда для измерения вносимого затухания фильтров питания, стало изготовление симетрирующего трансформатора. В ГОСТ 13661 указан лишь параметр-критерий годности схемы, согласно которому коэффициент симметрии симметричной схемы измерения должен быть не менее 26 дБ, т. е. разница амплитуд в плечах схемы не более 5%. Схема симметрирующего трансформатора приведена на рис.4.
в
I
1
Рис.4. Схема симметрирующего трансформатора
Нами были изготовлены и исследованы в диапазоне частот 0,1-30 МГц симметрирующие трансформаторы. Для изготовления трансформатора был использован двухотверстный сердечник DL 14.5/14.5/8.5 К1 В62152А0001Х001. Обмотки намотаны совместно в три провода.
Рис.5. Симметрирующий трансформатор
На рис.5 приведена фотография изготовленного нами симметрирующего трансформатора. Трансформатор висит на обмоточных проводах внутри экранированного алюминиевого корпуса. Отсутствие крепежных деталей позволяет минимизировать емкостную связь трансформатора с корпусом.
3. Измерение коэффициента симметрии симметрирующего трансформатора
Методика измерения коэффициента симметрии трансформатора такова: симметрирующий трансформатор содержит три одинаковые обмотки: одну условно первичную и две условно вторичные, намотанные противофазно. Измерительный вход анализатора спектра подключается к первой обмотке симметрирующего трансформатора, выход генератора анализатора спектра подключается к одной из вторичных обмоток, вторая вторичная обмотка нагружается согласованной нагрузкой 50 Ом. Производится измерение АЧХ. Затем согласованная нагрузка подключается к входу, на который при первом измерении подавался сигнал с генератора, а на тот вход, который был нагружен, подается сигнал с генератора. Повторно производится измерение АЧХ. Внешний вид измерительной установки приведен на рис.6. На рис.7-9 показаны спектрограммы сигнала прошедшего через симметрирующий трансформатор.
Рис.6. Измерение симметрирующего трансформатора на анализаторе спектра RIGOL DSA815 в полосе частот 0,1-30 МГц
Рис.7. Спектрограмма сигнала в диапазоне частот 0,1-0,3 МГц, прошедшего через симметрирующий трансформатор
Рис.8. Спектрограмма сигнала в диапазоне частот 1-3,5 МГц, прошедшего через симметрирующий трансформатор
Рис.9. Спектрограмма сигнала в диапазоне частот 10-30 МГц, прошедшего через симметрирующий трансформатор
Измерения показывают, что разность сигналов в полосе частот 0,1-30 МГц не превышает 1,5 дБ. Для обеспечения коэффициента симметрии в 26 дБ разность сигналов не должна превышать 0,4 дБ. Спектрограммы показывают, что данное требование вы-
полняется в диапазоне частот до 24 МГц. Для обеспечения параметра на более высоких частотах необходимо более тщательное выполнение намотки и укладки обмоточного провода.
На рис.10 приведена фотография изготовленного стенда.
Рис.10. Стенд для измерения вносимого затухания помехо-подавляющих фильтров
4. Выводы
В результате проведенных исследований был разработан и изготовлен стенд для проверки вносимого затухания пассивных помехоподавляющих фильтров, соответствующий требованиям ГОСТ 13661. В составе стенда разработаны и изготовлены симметрирующие трансформаторы, измерен их коэффициент симметрии. Были проведены исследования симметрирующего трансформатора, входящего в состав фильтра. Из проведенных исследований можно сделать вывод, что параметры симметрирующего трансформатора в первую очередь определяются аккуратностью и тщательностью его намотки и монтажа внутри корпуса. Также для проведения исследований были разработаны и изготовлены разделительные устройства в соответствии с требованиями стандарта.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта №18-42530001 р а.
ГОСТ 13661-92. Совместимость технических средств электромагнитная. Пассивные помехоподавляющие фильтры и элементы. Методы измерения вносимого затухания. М.: Изд-во стандартов, 2004. 21 с.
References
GOST 13661-92. Sovmestimost' tekhnicheskikh sredstv elektro-magnitnaia. Passivnye pomekhopodavliaiushchie fil'try i elementy. Metody izmereniia vnosimogo zatukhaniia [State Standard 13661 -92. Electromagnetic compatibility of technical facilities. Passive noise suppression filters and elements. Methods for measuring of attenuation]. Moscow, Izd-vo standartov Publ., 2004, 21 p.
