Ферритовые фильтры с защелкой на кабель для защиты от импульсных помех

Даже если устройство спроектировано с учетом присутствия помех и расположения элементов, предусмотрены заземление или фильтрация на плате, оно все равно может служить источником высокого уровня помех или быть восприимчивым к шумам при подсоединении других приборов с интерфейсным кабелем. В частности, поскольку кабели из-за большой длины обладают высокой удельной поверхностью, они могут излучать или принимать электромагнитные колебания. В этой связи, для подавления помех целесообразно применять специальные устройства, например, ферритовый фильтр с защёлкой на кабель (см. рисунок 1).

Внешний вид фильтра с защелкой на кабель показан на рисунке 1. Ферритовый фильтр с защелкой на кабель состоит из ферритового сердечника, который представляет собой две  половинки, помещенные в пластиковый гибкий корпус, характеризующийся долгим сроком службы. Данная конструкция позволяет закрепить его одним движением на кабеле без его отрезания. Поскольку такой фильтр может быть установлен после сборки устройства, его применение становится особенно актуальным в случаях, когда проблемы с помехами происходят непосредственно перед транспортировкой. На рисунке 1 b представлен фильтр, который монтируется на кабель внутри устройства.

Фильтр с защелкой на кабель состоит из ферритового сердечника, который представляет собой две половинки, помещенные в пластиковый гибкий корпус, характеризующийся долгим сроком службы. Для заказа доступно большое количество типов изделий, выпускаемых в соответствии с диаметрами кабелей.

Тип синфазного фильтра

Когда говорят о фильтрах синфазных помех (далее будет сокращенно ФСП), часто имеют ввиду компонент, который устанавливается на печатную плату. Однако ферритовый фильтр с защелкой на кабель также является компонентом для устранения синфазных помех. В то же время, он подавляет только синфазные помехи, проходящие по интерфейсным кабелям, без ослабления дифференциальных токов. По сравнению с фильтрами синфазных помех, в которых реализуется намотка проводом, компонент с защелкой на кабель вызывает небольшую, практически незначительную паразитную емкость или индуктивную связь. В этом случае, дифференциальный импеданс остается низким в широком диапазоне частот, и негативное влияние на качество сигналов практически отсутствует. Несмотря на то, что фильтры с застежкой на кабель обладают достаточно низкими значениями синфазного импеданса, они демонстрируют стабильные характеристики импеданса, поскольку отсутствует воздействие от распределенной паразитной емкости, вызванной обмоткой, и саморезонанс не появляется вплоть до частоты около 1 ГГц.

Регулировка величины обмотки

При намотке кабеля на фильтр с самозажимным механизмом в два или три оборота, эффективное сопротивление будет увеличено, что приведет к повышению степени затухания. Однако, поскольку количество обмотки повышается, величина паразитной емкости или индуктивной связи становится больше. Наиболее эффективное количество провода может быть определено путем выбора разной величины обмотки.

Экспериментальное подтверждение эффекта снижения излучаемого шума

В качестве дополнения к сетевым адаптерам питания (АС), разнообразные периферийные устройства, такие как цифровые фотокамеры или мобильные телефоны, подключают при помощи различных интерфейсных кабелей к терминалам в виде переносных ПК. Фильтры с застежкой на кабель устанавливают на эти интерфейсные кабели, получают оценку их влияния на подавление помех.

Подключение силового кабеля переменного тока

Спектр излучения шума от мобильного телефона до и после подключения фильтра с самозажимным механизмом ZCAT1518-0730 к силовому кабелю представлен на рисунке 2. В этом тестировании кабель имел двойную обмотку вокруг фильтра. Результаты измерений представлены на рисунке 3. Перед установкой шум фиксировался в диапазоне частот от 250 до 600 МГц, едва удовлетворяя стандарту VCCI класса B. После установки ферритового фильтра с защелкой на кабель, шум был снижен ориентировочно на 5...10 ДБ.

Подключение мобильного телефона

Как показано на рисунке 4, переносной терминал был подключен к телефону с помощью эксклюзивного типа кабеля, фильтр ZCAT1518-0730 устанавливали на силовой кабель. Результаты измерений приведены на рисунке 5. Перед установкой фильтра шум фиксировался в широком диапазоне частот от 100 до 600 МГц. Как и в предыдущем тестировании после двойной обмотки эксклюзивного кабеля вокруг фильтра уровень шума был снижен до 5..10 дБ. Кроме того, было обнаружено, что помехи на частоте 600 МГц и выше, уровень которых не поменялся после установки фильтра, были вызваны другими источниками, а не кабелем.

Ферритовые фильтры с защелкой на кабель улучшают устойчивость к электростатическим разрядам

При установке фильтра с защелкой на кабель не только снижается уровень шума, но также уменьшается вероятность появления ошибок, вызванных внешними источниками помех, таких как скачки напряжения или статическое электричество. Тест на ESD (электростатический разряд), основанный на международном стандарте IEC61000-4, для испытания устойчивости, проводился с целью исследования частоты или изменения количества ошибок до и после установки фильтра.

Электростатический разряд - это явление, которое происходит, когда электрический заряд, накопленный на поверхности тела вследствие таких причин, как трение с одеждой, разряжается при соприкосновении с корпусом электронного устройства. Помехоустойчивость - это сопротивление шуму от внешних источников.

Способ измерения

Как показано на рисунке 6 в рабочих условиях осуществлялось соединение переносного терминала и принтера. На переносном терминале (ПК) происходил разряд статического электричества. Условия, при которых происходили ошибки, были записаны. Электрический разряд проводили 10 раз с интервалом в одну секунду по отношению к разъему кабеля ( в месте соединения с кабелем) на стороне переносного терминала. Приложение разряда осуществлялось по методу контактного разряда в соответствии с международным стандартом IEC61000-4-2. Осциллограмма импульсного сигнала для тестирования, описанного в стандарте IEC61000-4-2 , представлена на рисунке 7. Испытательное напряжение (уровни разряда) составляло: 2 кВ, 4 кВ и 6 кВ.

Результаты тестирования

Результаты тестирования представлены в таблице 1. Когда фильтр еще не был установлен, при испытательном напряжении 4 кВ наблюдались такие ошибки как остановка некоторых операций принтера. При 6 кВ принтер полностью прекращал работу. При использовании фильтра ZCAT2035-0930A (одинарная обмотка) проблемы в результате выполнения операций при испытательном напряжении 4 кВ отсутствовали, а при 6 кВ было отмечено несколько ошибок в работе. При использовании фильтра с двойной обмоткой, ошибки не были обнаружены. Форма сигналов электростатического разряда до и после установки фильтра приведены на рисунке 8. Осуществлялась двойная обмотка. Электростатический разряд был значительно ослаблен благодаря фильтру. Сигналы наблюдались в положении вблизи фильтра на кабеле между фильтром и принтером.

Снижение уровня шума под воздействием электростатического разряда в параллельной двухпроводной линии передачи данных

Эффект подавления помех при электростатическом разряде с использованием ферритового фильтра с защелкой на кабель оценивали экспериментально при его установке на параллельную двухпроводную линию. Сравнение проводили на примере фильтра, рассмотренного выше.

Установка для измерений

Установка для измерений приведена на рисунке 9. Два параллельных провода длиной 1 м были помещены на высоте 0,1 м от пластины заземления. Напряжение 6 кВ, сформированного электростатическим генератором, подавали на вход линии с помощью генератора электростатического разряда. Между электростатическим разрядом и линией появлялся контакт. Форма импульса статического электричества, генерируемая электростатическим генератором, соответствовала высокоскоростному пиковому напряжению с временем нарастания от 0,7 до 1 нс. Фильтры ZCAT2035-0930A (ZCAT) и синфазный дроссель, устанавливаемый на плате, ZJYS51R5-2P (ZJYS) были установлены посередине параллельных проводов. Далее наблюдали изменение формы сигнала электростатического разряда на выходе. Как показано на рисунке 10, использовали два типа плат, на которых устанавливались компоненты ZJYS. Первая плата имела толщину 1 мм, слой из медной фольги на обратной стороне отсутствовал. Толщина второй платы составляла 0,3 мм, вся поверхность обратной стороны являлась пластиной заземления.

Эффект подавления импульсных помех высокого уровня

Форма импульса, наблюдаемая на выходе переносного терминала, показана на рисунке 11. Из данных рисунка 11 (а) видно, что примерно 40% помех было ослаблено после установки фильтра ZCAT. "Звон", сразу последовавший за подъемом напряжения, был также снижен. На рисунках 11 (b) и 11 (с) формы импульса в случаях, когда устанавливались компоненты ZJYS, показывают, что "звон" был снижен до того же уровня, что и в случае применения фильтра ZCAT, но при этом пиковое напряжение за время нарастания импульса не ослаблялось. В частности, затухание на плате А практически отсутствовало. Для изучения причины такого явления были измерены емкости на входе/выходе печатных плат [A] и [B]. Результаты показали, что емкость платы [А] составляла приблизительно 0,1 пФ, а емкость платы [В] соответствовала 7,3 пФ. По-видимому, в плате [B], большая паразитная емкость появлялась между платой и слоем медной фольги на поверхности компонентов. Таким образом, электростатический шум попадал на выход благодаря этой емкости, как показано на рисунке 12. В качестве сравнения, частотные характеристики импеданса фильтра ZCAT для плат [A] и [B], которые были использованы для эксперимента, показаны на рисунке 13. Из графика видно, что фильтры ZCAT характеризуются более высоким уровнем подавления бросков напряжения, чем дроссели, устанавливаемые на плате. Это происходит в связи с тем, что ферритовые сердечники у таких дросселей не могут также легко насыщаться даже при высоком уровне перенапряжения ввиду их больших физических емкостей. Поскольку фильтры ZCAT не устанавливаются на плату, необходимо брать во внимание емкостную связь между входом и выходом.

Широкая линейка выпускаемых компонентов

В заключение, диаграмма выбора линейки фильтров серии ZCAT производства TDK показана в таблице 2. TDK предоставляет различные серии компонентов, охватывающих широкий спектр областей применения, от использования в кабелях общего назначения до плоских кабелей.

Применение	Тип	Диаметр кабеля, (мм)	Код заказа	Изображение
Кабели	Самозажимной механизм	3...5	ZCAT1325-0530A (-BK)
		4...7	ZCAT1730-0730A (-BK)
		6...9	ZCAT2035-0930A (-BK)
		8...10	ZCAT2235-1030A (-BK)
		10...13	ZCAT2436-1330A (-BK)
	Кабель крепится к корпусу нейлоновым ремешком	7 макс.	ZCAT1518-0730 (-BK)
		9 макс.	ZCAT2017-0930 (-BK)
		9 макс.	ZCAT2032-0930 (-BK)
		11 макс.	ZCAT2132-1130 (-BK)
		13 макс.	ZCAT3035-1330 (-BK)
Плоские кабели	20-жильные плоские кабели	12 макс.	ZCAT3618-2630D (-BK)
	26-жильные плоские кабели	13 макс.	ZCAT4625-3430D (-BK)
	40-жильные плоские кабели	17 макс.	ZCAT6819-5230D (-BK)