Необходимость электромагнитной совместимости радиоэлектронной аппаратуры и специализированные средства борьбы с электромагнитными помехами

Борьба с электромагнитными помехами является одной из важных составляющих успеха на этапе проектирования и разработки радиоэлектронной аппаратуры. Однако, периодически, мы сталкиваемся с ситуациями, когда работа в части электромагнитной совместимости на этапе разработки была проведена не качественно, это в дальнейшем превращается в серьезную проблему…

Новые требования к развитию радиоэлектронной аппаратуры, в целом выбраны уже давно, и эти требования направлены в сторону создания более сложных технических средств и миниатюризации. Миниатюризации как электронных компонентов, так и изделий, в которых эти компоненты применяются. В следствии этого возрастает плотность компоновки, взаимное влияние компонентов друг на друга, в результате чего неизбежно возникновение помех, от которых необходимо защитить аппаратуру.

Основные Требования ГОСТов Электромагнитной совместимости (ЭМС) Радиоэлектронной аппаратуры (РЭА):

Рис. А (способ распространения ЭМП)

Методы, которыми обеспечивают ЭМС:

Рис. 1 (трубчатые, дискоидальные конденсаторы и планарные решетки). 

Также используются чип-фильтры для поверхностного монтажа (Рис.2). Обычно их используют, когда проектируют и создают частную фильтрацию, которую размещают на плате совместно с другими компонентами в схеме. Преимущества данных компонентов перед керамическими чип-конденсаторами — это наличие центральной земляной обкладки чип-фильтра, что дает более высокие значения вносимого затухания. Здесь нужно отметить, чтобы добиться полной фильтрации и защиты от ЭМП, нужно также дополнительно экранировать радиоэлектронную аппаратуру.

Рис. 2 (чип-фильтры для поверхностного монтажа)

На основе проходных конденсаторов производят резьбовые фильтры и фильтры под пайку (герметизированные компаундом и металлостеклянным спаем) (Рис. 3), фильтры под запрессовку. Это серии фильтров, которую требуют отдельной статьи, так как имеется много нюансов в части характеристик и применения. Лучшими по защите от ЭМП считаются фильтры Pi-типа (рис. Б) герметизированные металлостеклянным спаем. Они имеют отличные коэффициенты вносимого затухания во всем частотном диапазоне подавления ЭМП, а также они наиболее надежны в агрессивных средах.

Рис. Б (Сравнение АЧХ фильтров С, LC и Pi типов).

Рис. 3 (резьбовые фильтры и фильтры под пайку)

В России нашли широкое применение фильтры на пластине, которые часто используются и устанавливаются в перегородках радиоэлектронной аппаратуры для эффективного устранения ЭМП и подавлении помех при передаче сигналов между внутренними блоками радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) (Рис. 4).

Рис. 4 (Применение фильтров на пластине в перегородках РЭА)

  Одно из важных применений фильтров на пластине (Рис. 4.1) это медицина, например в имплантируемых кардиовертерах-дефибрилляторах, устройствах, спасающих бесчисленное количество жизней. Применение фильтров на пластине совместно с планарными и дисковыми конденсаторами защищают устройства от ЭМП внешних источников, таких как смартфоны, а также обеспечивает безупречную работу в любое время, даже при наличии сильных электромагнитных помех.

Рис. 4.1 (фильтры на пластине)

- сетевые фильтры (Рис. 5) обеспечивает ослабление помех для импульсов высокого напряжения в однофазной и трехфазной электрических сетях.

Рис. 5 (сетевые фильтры)

- фильтрующие соединители (цилиндрические и D-SUB) (рис. 6)

Рис. 6 (фильтрующие цилиндрические и D-SUB соединители)

В данной статье особое внимание будет уделено фильтрующим соединителям, ведь их применение имеет ряд преимуществ перед другими решения по защите от ЭМП.

1. Сразу на входе устройства препятствуют прохождению помехи в радиоэлектронную аппаратуру.
2. Сокращают процесс сборки и контрольных операций радиоэлектронной аппаратуры.
3. Уменьшают пространство и вес радиоэлектронной аппаратуры (значительно уменьшается количество компонентов на плате (Рис. 7), которые разработчики вынуждены размещать на плате после стандартных, не фильтрующих разъёмов, для защиты от ЭМП.

Рис. 7 (пример применения фильтрующих D-SUB соединителей на плате)

4. Единая компактная конструкция исполнения фильтрованных соединителей обеспечивает превосходное переходное сопротивление, что дает качественные результаты на высоких частотах.

5. Гибкость и взаимозаменяемость - если в аппаратуре не была учтена при проектировании фильтрация или не достигнута требуемая, а на плате не предусмотрено место для размещения дополнительных компонентов, которые могут обеспечить нужную электромагнитную совместимость (ЭМС), то есть возможность заменить обычный соединитель на входе на фильтрующий.

Рис.8 (фильтрующие D-SUB соединители)

В отличии от стандартного D-SUB соединителя (количество контактов - 9, 15, 25, 37, 50), имеющего металлический корпус, фильтрующие соединитель D-SUB имеет дополнительно внутри металлического корпуса успешно расположенные фильтры Pi- и C-типа.

Современные фильтрующие D-SUB соединители способны обеспечивать фильтрацию электромагнитных помех более 70 дБ на частотах от 1 до 6 ГГц. Соединители выполнены в форм-факторе D-Sub, имеют 25 контактов, что идеально подходит для тестовых корпусов, требующих простого и быстрого подключения с обеих сторон (Рис. 8.1). Они имеют предельное диэлектрическое напряжение 150В, рабочее напряжение 50В, электрическую емкость 1000 и 4000пФ и температурный диапазон от минус -55 до 125 °С. Конструкция соединителя имеет цельный корпус и паяные электрические соединения, что обеспечивает низкие значения ESR/ESL на частотах до 6ГГц и выше, а также более эффективное экранирование на высоких частотах. Фильтрующий соединитель имеет резьбовые вставки для легкой установки. Соответствует RoHS.

Рис. 8.1 (Вносимое затухание фильтрующих разъёмов D-Sub)

Более сложными в исполнении являются фильтрующие цилиндрические соединители, которые также очень востребованы и применяются в радиоэлектронной аппаратуре для передачи сигнала. На ряду с фильтрующими D-Sub соединителями имеют аналогичные преимущества, перечисленные выше.

Рис. 9 (фильтрующие цилиндрические соединители)

В основном, фильтрующие разъемы D-SUB и цилиндрические разъемы используются для установки на корпус радиоэлектронной аппаратуры, для коммутации и фильтрации информационных линий. Реже данные разъемы устанавливают в перегородки внутри радиоэлектронной аппаратуры.

Фильтрующие соединители эффективно борются с помехами на частотах до 18 ГГц в средствах связи, авиационном оборудование, системах распределения мощности, телекоммуникационном оборудовании и источниках питания.

Основные шаги для правильно выбора фильтрующего соединителя D-SUB.

Шаг 1 – Выбор фильтрующего компонента (Таблица 1.)

Шаг 1.1 – Оцените показания минимального вносимого затухания фильтра на частотах от 5 Мегагерц до 1 Гигагерца (столбцы 8-15 – Minimum Insertion Loss – Decibels (db).

Шаг 1.2 – Оцените частоту среза фильтра, чтобы не повлиять на полезный сигнал (столбец 5 – 3 db Cut-off Frequency Max. (MHz).

Шаг 1.3 – Оцените на сколько актуален тип схемы, Pi- и C-тип (столбец 2 - Filter Circuits).

Шаг 1.4 – Запишите буквенный код фильтра (столбец 1 - Filter Designations)

Таблица 1 (таблица выбора фильтрующего компонента)

Шаг 2 – Выбор разъема (Таблица 2)

Шаг 2.1 – Выберите количество контактов – 9, 15, 25, 37, 50 (в примере выбран 15-ти контактный разъем)

Шаг 2.2 – Выберите тип вывода разъема (вилка или розетка с одной стороны. Хвостовик, прямой или формованный штырь, с другой стороны).

Таблица 2 (выбор соединителя)

Шаг 3 – Выбор дополнительных опций

Для того, чтобы исключить прохождение индуктивной помехи, в месте стыка соединителя D-SUB и корпуса радиоэлектронной аппаратуры используют экранирующие прокладки (Рис.10). Данные прокладки также используют в местах стыка корпуса и крышки радиоэлектронной аппаратуры.

Рис.10 (экранирующие прокладки)

Рис. 11 (фильтр защиты от электромагнитного импульса)

Более специфичными, но также востребованными в таких применениях как например защита Дата центров, являются фильтры защиты от электромагнитного импульса (рис. 11), которые используются для борьбы с высокими электромагнитными импульсами, в том числе для защиты от электромагнитного эффекта, создаваемого ядерным взрывом.

В заключении можно сказать, что последние десятилетия развитие цифровых каналов информационного обмена приводит к снижению рабочих напряжений и повышению частоты передаваемых сигналов. Таким образом повышается чувствительность линий к наводимым помехам и возникает необходимость бороться как с наводимыми помехами, так и с генерируемыми. В дальнейшем уязвимость линий передачи информации от ЭМП будет только расти, поэтому защита от ЭМП, в частности, с применением помехоподавляющих фильтров, крайне важна для обеспечения работоспособности современных изделий. Но тем не менее процесс изготовления фильтрующих компонентов крайне технологически трудоёмкий и трудозатратный, требует специального оборудования и навыка, при этом требования к цене на керамические изделия у рынка очень высоки. При этом направление является не столь массовым и крупносерийным, как например другие пассивные компоненты, не многие производители конденсаторов в нем заинтересованы. На данный момент можно по пальцам пересчитать всех производителей, занимающиеся пр-вом фильтрованных компонентов и ещё меньше, отдельно проходными конденсаторами, как правило это специализированные заводы.

Специалисты компании Теллур Электроникс проработали возможность  производства данных компонентов на Китайских и Российских заводах, разместили заказы на образцы, провели совместно с заказчиками  испытания и готовы сделать предложение по всей номенклатуре фильтрованных компонентов.