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濾波器的選型參考
濾波器有多種,做儀器設備中常用到的是電源濾波器和信號濾波器。其他類型的作無功功率補償的電力濾波器、微波頻段的濾波器不是這里討論的內容。
濾波器的選擇需要考慮以下多點:
1、電壓
這個電壓值要求是一個范圍,是穩(wěn)態(tài)電壓±紋波電壓的綜合。
2、電流
電流的指標很關鍵,它決定了濾波器內部的電感的繞組銅線和引出線的線徑。如果選細了,細導線上跑大電流,如小馬拉大車,會引起嚴重發(fā)熱以至燒毀。這個電流也是一個范圍,穩(wěn)態(tài)電流+波動電流的最大值。
3、電磁兼容標準要求
既然是濾波器,為的就是濾掉一些不期望的頻段,而濾除的效果一般是由EMC測試標準和現(xiàn)場應用的直觀結果來確定。尤其是電源濾波器,最好能確定用此濾波器的產品需要通過的是哪個標準,根據標準要求的不同,在選擇時也有其特定的測試頻段要求。
電源濾波器的主要針對指標是傳導發(fā)射CE和傳導抗擾CS,信號濾波器的則主要看EMC標準里對不期望輸入頻段和不期望輸出頻段的要求了。
比如無極燈用的整流器,本身就是一個開關工作狀態(tài),會有對外的發(fā)射,EMC測試時候會重點檢查其開關頻率以及其高次諧波成分的傳導干擾,濾波器就需要針對這些特定頻段或頻點具有足夠的濾除效果。
4、安規(guī)標準要求
讀者可能會覺得奇怪,選濾波器,說安規(guī)標準干啥?這是因為濾波器一般用在電源輸入端和板卡的接口處,這些部位都是安規(guī)問題的重災區(qū)。等于是濾波器一身承擔了多個要求。與濾波器有關的安規(guī)重點是三個指標:絕緣耐壓、漏電流、剩余電壓剩余能量。
絕緣耐壓打LN對地的絕緣強度,考驗的是Y電容的耐壓值,Y電容大了,漏電流就會大,容易導致安規(guī)要求上的漏電流超標,現(xiàn)在有部分廠家設計上就采取了輸入端無Y電容設計(如圖)。這樣LN對G就成了LN通過L1、Cy1、Cy2、G’對G了,而G和G’是不連的。如果采用了輸入端接Y電容的方式,即將Cy1和Cy2放到前面R的左面來,則測試時須注意絕緣耐壓的設定和漏電流的大小是正相關的,最高不超過20mA。曾經遇到過差點被退貨說濾波器安規(guī)不合格的情況,最后經查是1500V時漏電流設定為2mA(應為5mA),測試儀器報警就是正常的了。
另一個問題就是R的選擇,有好多廠家的濾波器沒裝這個電阻,在拔掉插頭后,在較短的時間內,去摸電源的插口,如果會有被電的感覺,問題就出在沒裝這個電阻上。這是個高耐壓、起泄放電作用的功率電阻。
5、濾波器電路結構形式
電路結構形式和期間的參數選擇是濾波器的核心,但就是在這一部分,應用工程師的選擇常常兩眼一摸黑著選,雖然大多時候也差不多可以用,但既不知己也不知彼的設計方式,浪費資源、埋留隱患的可能性就大大增加。這在需要精益設計、從中國制造到中國創(chuàng)造的電子制造業(yè),從初級工程師向資深工程師的成長期望上來說,都是不合時宜的。
濾波器的作用是對通過其的不同頻率有不同的放大效果,對通帶內頻段的則不衰減,對通帶外要抑制的則以幾十個dB的級別進行衰減,從而達到過篩子的目的。但就是濾波器在對不同頻率的電壓幅值采取不同放大倍數的時候,電磁波的相位也在發(fā)生變化,因為相位也是和頻率有關的,所以濾波器結構形式的選取,也還是有些學問的。
濾波器結構形式常用的是三種:
a、巴特沃思濾波器:特點是通帶內放大倍數平整,通帶內,隨著頻率的變化,濾波器放大倍數基本維持不變;但缺點是通帶向截止段的過渡段,過渡的較為平緩。意思是說,敵人和朋友的界限不是很清楚,有一部分朋友也在干著敵人的事情,有一部分敵人也在幫我們,對這一部分是殺掉還是留在組織里,讓人很糾結。如果有用頻率和干擾頻率離得很近,這種濾波器的作用就很有問題。
b、切比雪夫濾波器:它可以很好的解決巴特沃思過渡帶平緩的缺點,在這種形式的濾波器中,過渡帶很陡峭,即使有用頻率和干擾頻率很近,因為過渡帶很陡峭,所以其截止頻率點前后兩個頻段放大倍數的差別很大,非友即敵,很好區(qū)分,是朋友就沒干過對不起我們的事,是敵人的就沒干過對我們好的事,所以朋友拉入組織優(yōu)厚待遇,是敵人則干凈利落的消滅之。高山之側必有深谷,一個優(yōu)點必然伴隨著一個缺點,切比雪夫濾波器的缺點是在通帶頻率的末端部分,放大倍數會有較強的波動,即在通帶內,隨著頻率的變化,放大倍數雖然比濾除頻段大了很多,但對通帶內的頻率,其放大倍數并不是保持穩(wěn)定不變的,就是說,朋友們的情緒并不穩(wěn)定,也不是所有朋友都一如既往的付出幫助。(僅做舉例說明,不要誤解為對朋友的不滿哈)
c、貝塞爾濾波器:此種濾波器不是很通用,用的較專,因為它的特性是相位線性。前兩種關注的是放大倍數,但如果對語音信號,比如歌曲,通帶內放大倍數雖然沒有變化,但其旋律卻不再悠揚。因為相位的變化導致歌曲的嘔呀啁咤難為聽。此時,貝塞爾濾波器將會發(fā)生其作用。
至于選擇哪種濾波器電路結構形式,電路工程師未必去做深入研究,但須知道自己想要的特性,并提供給濾波器廠家,由他們幫您做選擇。
現(xiàn)在的電源濾波器都是低通濾波器,通過的都是工頻50Hz或60Hz,這是有用頻率,其他的全是無用的了,所以用截止頻率在1KHz以上的就綽綽有余,因此,盲人騎瞎馬似的隨便選濾波器,很多時候也沒出問題。所以對電源濾波器的選取在工藝、安規(guī)上就要多關注了。但在有特定輸出或輸入的場合,電源濾波器的選擇就要謹慎了。比如醫(yī)療手術時的電刀產品,其工作頻率是500KHz,它本身會對網電源造成干擾,所以電刀的對外傳導干擾需要抑制;同時,與電刀共用電源的設備也要警惕,其500KHz也可能會對您產生干擾。
6、插損曲線
濾波器的插損測量當不得真。舉例來說,如果我們發(fā)現(xiàn)100KHz超標13dB,選擇了一款濾波器,從插損曲線上看出其在100KHz時的插損是20dB,覺得此濾波器用上去就肯定就沒問題,那就錯了,因為廠家的插損曲線都是在50Ω-50Ω的標準阻抗下測得,實際上的應用現(xiàn)場,基本可以肯定不是如此標準的源阻抗和負載阻抗特性,所以濾波器的衰減效果會大打折扣,因此,選擇的時候對擬抑制的頻率點必須至少留出20dB的余量,如上例就需選擇100KHz時插損不低于33dB的濾波器。
另外插損分共模插損和差模插損,一般對30MHz以上的干擾,選擇共模插損滿足上面要求的濾波器,10MHz以下的干擾選擇差模插損滿足要求的濾波器,對上例100KHz,選擇差模插損33dB的濾波器。
7、濾波器的安裝形式
這個問題好理解,一般有板式(有可焊插針引腳)、螺絲固定安裝、IEC標準(帶單相220V三針輸入)、帶開關的IEC,這個根據實際結構功能要求選擇即可。
8、安裝工藝規(guī)范
濾波器的安裝是僅次于電路結構形式和組成器件指標的技術要素。主要體現(xiàn)在濾波器的位置、接地的措施。位置要求靠近輸入或輸出端,為的避免輸入端輸出端線纜上的高頻干擾輻射出來影響到其他電路;輸入線輸出線不得并行走線,不得靠近走線,以免相互串擾造成該干凈的干凈不了;濾波器課題是金屬殼體,接地要求面接地而不是線接地,須保證整個面與地接觸良好,不能僅靠固定引腳的螺絲或上面引出的接地導線來接地,導線接地的引線電感量大,高頻接地阻抗偏高導致高頻接地不良,濾波效果不好;接地線纜不宜用擰接方式,必須選用焊接方式。
9、濾波器的Q值
Q值對實際濾波效果影響倒不大,但Q值代表的是損耗 / 輸入功率,Q值越高,說明損耗越大,意指會有部分能量在濾波器的電感上被損耗掉。在一般的低功率電源濾波器和信號濾波器上,此問題不會太突出。但在較大功率的濾波器上,這個損耗不可小視,一是會引起發(fā)熱,發(fā)熱后的電容會引起較大的負面影響,漏電流、耐壓、容值等都會隨溫度變化而變化;二是耗電量大會導致無謂的電損失。
10、其他
另外的內容就是濾波器的內部了,作為用戶是看不到的,灌封膠的灌封均勻致密程度、器件和金屬之間絕緣紙的厚度,這些用戶只能通過訊問的方式了解了,至于生產廠家說不說實話,全憑天命。
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