12+ Components & Technologies www.kit-e.ru № 2 ’2021 (февраль) ISSN 2079-6811 Потери в катушках систем беспроводной передачи энергии Исследование высокочастотных кварцевых резонаторов среза SC Реализация КИХ-фильтра с использованием IP-модуля FIR Compiler 7.2 Реклама Промышленные дисплеи Tianma Microelectronics
Реклама
Реклама
2 (235) '2021 2 (235) '2021 Содержание Главный редактор Рынок Кристоф Утчик Правосудов Павел Викторович | [email protected] (Christoph Utschick), Женские лица Кристиан Мерц (Christian Merz), Заместитель главного редактора в мире электроники 6 Кем Сом (Cem Som) Ольга Дорожкина (Зайцева) | [email protected] Перевод: Компоненты Владимир Рентюк Выпускающий редактор Потери переменного тока Ксения Притчина | [email protected] Николай Егоров в катушках систем Высокочастотные беспроводной передачи энергии Редактор переключательные матрицы 32 Наталья Новикова | [email protected] компании Dow-Key Редакционная коллегия Йигит Йолери (Yigit Yoleri), Виктор Хасиев, Александр Фрунзе, Гуиxуе (Глен) Бу (Guixue (Glen) Bu) Иосиф Каршенбойм, Перевод: Михаил Русских 8 Евгений Ивашенко Виктор Лиференко, д. т. н., профессор Мониторинг Владимир Махов, д. т. н. состояния человека Биполярные двунаправленные на одной микросхеме Дизайн и верстка ADPD4100/ADPD4101 источники питания постоянного тока Ольга Ворченко | [email protected] Промышленные с входным напряжением 5–24 В 40 электронные компоненты Отдел рекламы от Panasonic Industry: Сергей Демин, Ирина Миленина | [email protected] самые высокие стандарты Александр Южалкин, автоматизации и производства Сергей Пашков, Отдел подписки 12 Юлия Глазунова, [email protected] Владимир Рентюк, Семен Богуславский Алексей Лосев Исследование высокочастотных Москва Фильтры электромагнитных помех кварцевых резонаторов среза SC ул. Южнопортовая, д. 7, строение Д, этаж 2 компании Cosel: Тел./факс: (495) 987-3720 японское качество и надежность, проверенные временем. СанктПетербург Часть 2. Предложения компании 44 197046, Санкт-Петербург, Петроградская наб., д. 34 литер Б, помещение 1-Н, офис 321в Микросхема измерительного Майтхил Паччигар Тел. (812) 4381538 операционного усилителя 1467УБ1У 18 (Maithil Pachchigar) Факс (812) 3460665 категории качества «ВП» email: [email protected], web: www.kit-e.ru Перевод: Святослав Зубарев Упрощаем процесс Республика Беларусь разработки прецизионных «ПремьерЭлектрик» систем сбора данных Минск, ул. Маяковского, 115, 7й этаж за счет использования Тел./факс: (10*37517) 2973350, 2973362 решений μModule Отдел распространения 49 СанктПетербург: Виктор Золотарев | [email protected] 20 Инна Ушенина Расчет, анализ и реализация Подписные индексы 80743 КИХ-фильтра на FPGA 57 Каталог агентства «Роспечать» 60194 с использованием IP-модуля Каталог «Почта России» 60195 30 FIR Compiler 7.2 полугодие год Журнал «Компоненты и технологии» зарегистрирован Управлением Федеральной службы по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций по Санкт-Петербургу и Ленинградской области. Свидетельство о регистрации ПИ №ТУ 78-00653 от 23 июля 2010 года. Учредитель ООО «Издательство Файнстрит» Адрес редакции 197046, Санкт-Петербург, Петроградская наб., д. 34 литер Б, помещение 1-Н, офис 321в Издатель ООО «Медиа КиТ» 197046, Санкт-Петербург, Петроградская наб., д. 34 литер Б, помещение 1-Н, офис 321в Отпечатано в типографии «Премиум Пресс» 197374, Санкт-Петербург, ул. Оптиков, 4. Дата выхода в свет 26.02.21 Тираж 6000 экз. Свободная цена Редакция не несет ответственности за информацию, приведенную в рекламных материалах. Полное или частичное воспроизведение материалов допускается с разрешения ООО «Медиа КиТ». Журнал включен в Российский индекс научного цитирования (РИНЦ). На сайте Научной электронной библиотеки eLIBRARY.RU (www.elibrary.ru) доступны полные тексты статей. Статьи из номеров журнала текущего года предоставляются на платной основе. Возрастное ограничение 12+ КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2021
Реклама
2 (235) '2021 2 (235) '2021 Содержание Александр Илькив, 96 Сергей Подрядчиков Editorinchief Дмитрий Лешев Статический временной анализ Pavel Pravosudov | [email protected] Снижение в физическом проектировании влияния радиации на ПЛИС, 66 цифровых интегральных схем Deputy of editorinchief выполненные по технологии Olga Dorozhkina (Zaytseva) | [email protected] статического ОЗУ Managing editor Дисплеи Технологии Ksenia Pritchina | [email protected] Александр Самарин Перевод: Алексей Шиганов Editor Обзор современных Natalia Novikova | [email protected] промышленных дисплеев Достоверность отображения сигналов компании Tianma Microelectronics Editorial staff в силовой электронике: внутренние Alexander Frunze Проектирование Victor Liferenko 73 проблемы в шинах питания Joseph Karshenbojm Vladimir Mahov и анализ процессов Design and layout в системе электропитания Olga Vorchenko | [email protected] при изменении тока нагрузки 104 Advertising department Irina Milenina | [email protected] Татьяна Колесникова 84 Флориан Рамиан (Florian Ramian) 110 Работа с микроконтроллерами STM32 Методы исключения влияния Subscription department семейства Cortex-M3 анализатора спектра [email protected] в программной среде Proteus 8.11 на результаты измерения гармоник Moscow 7, building D, floor 2, Yuzhnoportovy str., Moscow, Russia Tel. +7 (495) 987-3720 St. Petersburg of. 321v., pom 1-H, b. 34 “B”, Petrogradskaya Emb., St. Petersburg, 197046, Russia Tel. (812) 4381538 Fax (812) 3460665 email: [email protected] web: www.kit-e.ru Belarus Republic Minsk, Premier Electric Tel./fax: (10*37517) 2973350, 2973362 Circulation department St. Petersburg: Victor Zolotarev | [email protected] Subscription index for Components & Technologies Rospetchat Agency catalogue subscription index 80743 Age limit 12+ КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2021
6 рынок Женские лица в мире электроники Компания Würth Elektronik сотрудничает с большим числом разработчиков и производителей электрони- ки по всему миру. По своему опыту мы замечаем, что в этой области превалируют мужские коллективы, но в каждом правиле есть исключения. Сегодня мы по- говорим с Олесей Драк — девушкой, которая связала свою жизнь с разработкой электроники. — Олеся, расскажите, чем вы занимаетесь? вушек-студенток и девушек-инженеров на равных. Думаю, многие — Я инженер СВЧ-техники и электроники. Это значит, что я раз- отсеиваются еще в вузе, а из тех, кто доучился, по моим наблюдени- рабатываю устройства, которые функционируют в санти- и мил- ям, примерно одинаковый процент из девушек и юношей не идет лиметровом диапазоне длин волн, то есть различные связные работать по специальности в принципе. Что можно сказать именно и локационные устройства. От частот мобильной связи и до ча- о разработке? Есть такое убеждение, что девушки более усидчивые стот автомобильных радаров. Моя основная сфера деятельности — и лучше им поручить работу, которая требует сосредоточенности, устройства преобразования сигнала — усилители, фазовращатели, а не принятия серьезных решений. Мне кажется, в этом есть доля а также делители. правды — мужчины легче принимают важные решения по проекту. — Когда ваша жизнь свернула на тропинку, связанную с электро- никой? Вы получили профильное образование в какой области? — Что самое неприятное в работе? — Мне хорошо давались физика и математика, и я решила, что мне — Что часто приходится зависеть от поставщиков или изготовите- будет легко поступить в технический вуз. Выбор пал на ЛЭТИ, там лей. Что любой компонент для СВЧ стоит в 10–100 раз больше, чем я и отучилась шесть лет на кафедре теоретических основ радиотехни- не для СВЧ. Что большинство компонентов нужно ждать по 10 или ки. Нам давали довольно широкие знания, были курсы по антеннам, более недель из-за удаленности складов и времени на таможенное цифровой связи, радиолокации, ядерно-магнитным резонаторам, оформление. акусто-оптике, оптической связи и другим дисциплинам. На третьем — Я знаю, что вы ведете блог в «Инстаграме». Как это началось курсе, после начала лекций по радиотехническим цепям и сигналам, и какие цели у блога? Сколько он уже существует и сколько у вас под- я поняла, что хочу быть инженером. писчиков? О чем вы там пишете и кто ваша аудитория? — Чем этот рынок вас привлек? Если бы вдруг можно было вер- — Я начала вести блог в конце осени 2018‑го, с тех пор у меня нуться назад и начать все сначала, вы бы изменили свой выбор? 170 постов и 1000 подписчиков. Я задумалась об этом довольно — У меня были довольно по-юношески наивные мысли. давно, наверное, за год или больше, прежде чем начала вести блог, Помню, как на лекции нам сказали, что Россия беспросветно от- стала от Европы и Америки в плане технологий, и я подумала, что хотела бы найти область, где мы могли бы сократить этот разрыв. Отвечая на второй вопрос, нет, я бы не изменила ничего. У меня была возможность изменить профессию, но я захотела остаться. — Как мужчины относятся к вашей роли в компании, в коллек- тиве разработчиков? Случались какие-то курьезы? — У меня отличный коллектив. Курьез был как-то, когда мы с началь- ником поехали к одному потенциальному заказчику, и он посмеялся над моими объяснениями про антенны и длины волн. На самом деле, там действительно все довольно просто и очевидно — чем больше частота, тем меньше длина волны и меньше сама антенна при прочих равных. Но его это почему-то позабавило. Я сначала уж было решила обидеться, а потом подумала, что для меня главное — какого мнения обо мне мой непосредственный начальник, остальное неважно. — Что в вашей работе вызывает наибольший интерес и увле- ченность? — Я люблю привносить в работу немного творчества, делать до- рожки на платах симметричными и красивыми изгибами. А моя небольшая профессиональная страсть — это коаксиальные разъемы. — Как часто в такой профессии работают девушки? По вашей оценке, какой процент? Почему девушек в разработке настолько меньше? — Всем известно, что девушек в технических профессиях немно- го. Наша страна еще не доросла до того, чтобы воспринимать де- КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2021
рынок 7 но очень долго сомневалась, боялась, что мне нечего будет постить. пострадала. Конечно, Zoom стал очень популярен, я не знаю, когда его Но все же решилась, и в основном выкладываю оснастки, лаборатор- ное оборудование, тестовые платы. Судя по статистике, у меня 16% придумали, но это, правда, очень удобная программа для общения подписчиков из России, 12% из США, 11% из Индии и 5% из Турции. Вот последние особенно общительны. и работы удаленно. В чем-то стало даже легче: мне, например, проще Мне часто пишут в директ, и если отсеять просьбы о помощи или показать свой экран и объяснить подопечному, что надо делать, а он о том, как стать инженером, то я познакомилась с несколькими класс- ными ребятами. Мы общаемся и по переписке, и по Zoom, двое даже в свою очередь может показать мне, где у него проблема. Я думаю, живут со мной в одном городе. Я очень рада, что встретила новых друзей. как раньше, ни в какой сфере уже не будет. Многие сотрудники и ру- — Каким вам видится развитие своего блога? ководители поняли, что людям не обязательно сидеть в офисе, чтобы — Я подумываю о том, чтобы делать проекты только для «Инстаграма». Еще я вижу, что возможны коллаборации с другими выполнять свою работу, многие даже более эффективны в уютной до- блогерами, у меня уже был подобный опыт. И конечно, я надеюсь, что когда-нибудь дорасту до рекламных интеграций, хотя не думаю, машней обстановке. Знаю, что некоторые, наоборот, грустят без обще- что это возможно в моей сфере в принципе. Кстати, подписывайтесь — leka_engineer. ния и им сложно заставить себя что-то делать дома. В любом случае, — Год 2020‑й был необычным, ковид изменил привычные формы общения. Что нового появилось для вас как для разработчика элек- думаю, станет больше дистанционных сотрудников. Я очень рада, что троники? Какие форматы стали популярными? Каким вы видите будущее общение в этой среде? наше правительство наконец сделало такую форму работы законной. — Я уже давно не хожу в офис каждый день. В феврале 2020‑го я официально устроилась дистанционно. Из-за вируса у меня были — Какая у вас мечта? Как вы видите развитие своей карьеры? большие сбои в сроках изготовления деталей, в остальном я не сильно Какие области хотите освоить (разработать устройство)? — Мечта? Миллион подписчиков! А если серьезно, то мне уже сложно говорить о карьере, меня больше интересует уровень и раз- мер проектов. Интересно было бы сделать что-то для медицины. — Можете ли дать совет девушкам, которые тоже хотят свя- зать свою жизнь с разработкой электроники? — Если доучитесь и попадете в хороший коллектив — будет клас- сно. Если нравится, не бойтесь. n Интервью провела Анастасия Фадеева, Würth Elektronik RUS новости события XXXIII Международная выставка информационных и коммуникационных технологий «Связь‑2021» 15–18 июня 2021 года в Москве (ЦВК «Экспо- • IP-технологии; В рамках деловой программы выставки пройдут • телевидение и радиовещание; следующие мероприятия: центр») состоится выставка «Связь» — круп- • AR&VR; • форум «Связь‑2021»; • искусственный интеллект; • форум «Российский софт»; нейшая в России бизнес-площадка для общения • ИT-услуги; • XIV Международный • мобильные платежи; профессионалов, поиска поставщиков и новых • интернет-технологии и услуги; навигационный форум; • стартапы; • конференция IoT Harvest; каналов сбыта, выработки новых решений и опре- • электронные компоненты для телекоммуникаций; • международный форум • работа и карьера в ИТ и телекоме; деления трендов развития информационных тех- • новая почта: современные технологии почтовой Международной академии связи и др. нологий и телекоммуникаций. и курьерской связи. Узнать подробнее о мероприятии можно на сайте выставки: www.sviaz-expo.ru. Выставка проводится с 1975 года и являет- ся крупнейшим мероприятием в России, СНГ и Восточной Европе в сфере телекоммуникаций и информационных технологий. Она проходит в рамках Российской недели высоких технологий, объединяющей несколько выставок, форумов и конференций в сфере информационных техно- логий, телекоммуникаций, навигации и телематики. Основные тематические разделы выставки «Связь»: • «умный город»; • IoT Tech; • 5G; • телекоммуникационное оборудование, реше- ния, услуги; • сети передачи данных; • телекоммуникационная и сетевая инфраструк- тура; • спутниковая связь; • радиосвязь; • мобильная связь; • кабели связи, оборудование; • ЦОД: оборудование, софт, решения, услуги; • системы электропитания; • программное обеспечение, российский софт; • Smart Device Show (пользовательская электро- ника); КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2021 www.kite.ru
8 компоненты ВЧ/СВЧ-элеметы Высокочастотные переключательные матрицы компании Dow-Key Николай Егоров, Для коммутации сигналов в радиотехнике и телекоммуникациях широко к. т. н. используются высокочастотные переключательные матрицы. Они приме- няются при разработке радиоэлектронной аппаратуры для тестирования и измерений, в качестве составных частей различных радиоэлектронных систем и комплексов, во время научных исследований и экспериментов. В данной статье рассматриваются соответствующие изделия компании Dow-Key — одного из ведущих производителей в этой сфере. Введение ходное состояние, контакты вторых остаются в замкнутом состоянии. Переключатели могут быть как с нагрузкой, так и без нее, применяе- Американская компания Dow-Key [1], ведущий мировой произ- мые соединители — SMA female или N female. водитель переключателей и матриц ВЧ/СВЧ-диапазона, начала свою деятельность в 1945 году. Компания уже достаточно давно зарекомен- Приведенные в таблице 1 данные наглядно показывают, как с уве- довала себя как передовой разработчик электромеханических пере- личением рабочей частоты снижается допустимая входная мощность ключателей многих типов, отличающихся высокой эффективностью для переключателей. и надежностью в работе и обеспечивающих число циклов переклю- чения свыше 1 млн. Принципы функционирования и особенности Для всех моделей время переключения составляет 50 мс, мини- высокочастотных электромеханических переключателей различных мальный жизненный цикл — 1 млн переключений, диапазон рабо- производителей были подробно рассмотрены в [2]. чих температур 0…+50 °C, то есть устройства используются только внутри отапливаемых помещений, электропитание осуществляется Компания Dow-Key также значительно продвинулась по другим от сети переменного тока 110–240 В, 50–60 Гц (такие параметры тем- направлениям и предлагает более сложные средства для переклю- пературного режима и электропитания характерны и для изделий чения сигналов, выполненные с использованием разнообразных других групп, которые рассмотрены в следующих подразделах). электронных технологий и предназначенные как для гражданских, так и для специальных приложений. В настоящее время компа- Размеры модулей существенно различаются в зависимости от ти- ния разрабатывает и выпускает электромеханические, твердотель- пов устанавливаемых переключателей (рис. 1): так, высота может ные и волоконно-оптические ВЧ/СВЧ переключательные матрицы. изменяться в пределах 1–4U (U — юнит, единица измерения высоты Данные изделия отличаются общим значительным диапазоном оборудования, равная 44,45 мм). рабочих частот, широкополосным и узкополосным исполнением, разнообразием конфигураций, многими алгоритмами переключе- Локальное управление модулями происходит либо с помощью ния каналов, высокой коммутируемой мощностью, длительным LCD-дисплея и клавиатуры, либо с помощью сенсорного LCD- жизненным циклом. дисплея, которые расположены на передней панели. В статье представлен обзор различных групп переключательных Таблица 1. Характеристики модулей с переключателями разных типов матриц и других изделий. Типы переключателей, Диапазон КСВН Развязка, Вносимые Максимальная Модули со многими электромеханическими особенности рабочих дБ потери, дБ непрерывная входная переключателями SPDT/DPDT, частот, ГГц 1,1 с фиксацией, 1,2 85 0,1 мощность, Вт Электромеханические переключательные устройства — это самая без нагрузки DC–1 1,3 80 0,2 большая группа изделий, существенно различающихся по структуре, SP3T–SP6T, 1–4 1,4 70 0,3 200 алгоритмам функционирования и характеристикам. 4–8 1,5 65 0,4 100 нормально разомкнутые, 8–12 1,2 60 0,5 50 Переключательные решения серии MS представляют собой модули без нагрузки 12–18 1,3 80 0,2 35 с множеством отдельных переключателей. Данные модули являются SP8T, DC–3 1,4 70 0,3 25 логическим продолжением отдельных высокочастотных переключа- с фиксацией, 3–8 1,5 60 0,4 125 телей и могут рассматриваться как переходное звено к матрицам. Эти с нагрузкой 8–12,4 1,2 60 0,5 90 решения компании позволяют устанавливать в стандартные корпуса SP10T, 12,4–18 1,3 80 0,2 75 для 19‑дюймовых приборных стоек со стороны задней панели груп- DC–4 1,4 75 0,3 60 пу коаксиальных переключателей, при этом может использоваться нормально разомкнутые, 4–8 1,5 70 0,4 100 широкий перечень переключателей SPDT–SP12T (табл. 1). В моду- без нагрузки 8–12,4 1,8 60 0,5 90 лях предусмотрены как нормально разомкнутые (normally open), SP12T, 12,4–18 1,2 55 0,8 75 так и переключатели с фиксацией положения (latching). Контакты 18–26,5 1,3 70 0,2 60 первых при снятии управляющего напряжения возвращаются в ис- нормально разомкнутые, DC–4 1,4 65 0,3 45 без нагрузки 4–8 1,6 60 0,4 100 8–12,4 1,2 55 0,6 70 или с фиксацией 12,4–18 1,4 70 0,2 60 и с нагрузкой DC–4 1,5 65 0,4 50 4–8 1,8 60 0,6 100 8–12,4 60 0,8 50 12,4–18 35 25 КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2021
ВЧ/СВЧ-элеметы компоненты 9 Таблица 2. Характеристики мультиплексоров с различными конфигурациями Конфигурация Типы используемых Диапазон рабочих КСВН Развязка, Вносимые Максимальная От 1×13 до 1×84 переключателей, частот, ГГц дБ потери, дБ непрерывная входная От 1×85 до 1×120 соединители 1,3 От 1×21 до 1×143 SP10T и/или SP12T, DC–4 1,35 70 1,0 мощность, Вт без нагрузки, 4–8 1,5 65 1,5 SMA female 8–12,4 1,8 60 1,5 100 SP10T и/или SP12T, 12,4–18 1,3 55 2 70 без нагрузки, DC–4 1,35 70 2 60 SMA female 4–8 1,5 65 3 50 SP12T, 8–12,4 1,8 60 4 100 без нагрузки, 12,4–18 1,3 55 5 70 SMA female DC–4 1,45 70 2 60 4–8 1,6 65 3,5 50 8–12,4 60 4,5 100 12,4–18 2 55 5,5 70 60 50 Рис. 1. Внешний вид модулей с переключателями серии MS с высотой 1, 2 и 3U Для удаленного управления модулями Рис. 2. Мультиплексор серии MP с высотой корпуса 3U в измерительной установке. Данные матри- применяются интерфейс Ethernet (TCP/IP), цы позволяют направлять любой входной 10/100 BASE-T, интерфейс GPIB (IEEE‑488) SP10T и/или SP12T, помимо соединителей сигнал на любой выходной порт, при этом и порты RS‑232 и USB. SMA female могут применяться соединители картина подключения входных и выходных N female. портов изменяется и является уникальной В дополнение к готовым модулям с пере- для каждого момента времени. ключателями в данной серии изделий компа- Матрицы с динамической ния предлагает контроллер MS‑6101, позво- многоканальной коммутацией Данная группа устройств представлена ма- ляющий пользователям создать собственное трицами серии CB. Они выпускаются с кон- решение. Контроллер предусматривает уста- фигурациями от 22 до 1212 (табл. 3). новку со стороны задней панели до 24 пере- ключателей разного типа, управляемых с по- В этих матрицах в переключателях ис- мощью интерфейса CAN и соединителей пользуются соединители SMA- или N‑типа. RJ11. Размеры контроллера 1U15,25″19″, Как видно, матрицы серии CB изготав- масса 4,54 кг. При необходимости установки ливаются для большего числа частотных большего числа переключателей контроллер поддиапазонов, чем рассмотренные ранее может расширяться. устройства, они также характеризуются вы- сокой развязкой. В зависимости от конфи- Мультиплексоры гурации матрицы серии CB имеют размеры (1–2)U15,25″19″ и (3–4)U18,5″19″. Мультиплексоры серии MP — это устрой- Для сложных измерительных задач ства, позволяющие подключать один вход и комплексных измерительных установок Широкополосные к одному из многих выходов. Устройства компания разработала переключательные распределительные матрицы являются двунаправленными. Они выпу- матрицы с динамической многоканаль- скаются с конфигурацией от 113 до 1143 ной коммутацией (они носят обозначение В распределительных матрицах серий 4601 (табл. 2). crossbar — с перекрестным подключением). и 4701 сигнал с любого входного порта мо- Эти матрицы позволяют тестировать группу жет разделяться и одновременно трансли- Мультиплексоры для разных конфигура- устройств со многими входами и выходами роваться на множество выходных портов ций имеют высоту корпуса 1–4U (рис. 2). без необходимости проводить постоянную (принцип действия fan-out). Входные радио- перекоммутацию высокочастотных кабелей частотные сигналы вначале усиливаются В мультиплексорах применяются только с помощью высоколинейных усилителей многопозиционные переключатели типов для компенсации потерь, и уже потом они разделяются и подаются на разные выходы. Таблица 3. Характеристики матриц серии CB Это однонаправленные матрицы, они могут функционировать в очень широкой полосе Конфигурация Типы используемых Диапазон рабочих КСВН Развязка, Вносимые Максимальная частот 1–18 ГГц. Их характеристики приведе- От 2×2 до 10×10 переключателей частот, ГГц дБ потери, дБ непрерывная входная ны в таблице 4. От 11×11 до 12×12 SP10T, 1,3 DC–4 1,35 80 2 мощность, Вт 11×11, нормально разомкнутые, 4–8 1,45 80 3 12×11, 11×12 без нагрузки 8–12 1,55 80 3,5 100 12–16 1,8 80 4 90 SP12T, 16–18 1,3 80 5 75 нормально разомкнутые, DC–4 1,45 80 2 65 4–8 1,55 80 3,5 60 без нагрузки 8–12 1,8 80 4 100 SP10T и/или SP12T, 12–16 2,0 80 4,5 90 нормально разомкнутые 16–18 1,3 80 5,5 75 DC–4 1,45 80 2,0 65 или с возвратом 4–8 1,55 80 3,5 60 в исходное положение 8–12 1,8 80 4 100 12–16 80 4,5 90 (failsafe), 16–18 2 80 5,5 75 с нагрузкой 65 60 КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2021 www.kite.ru
10 компоненты ВЧ/СВЧ-элеметы Таблица 4. Характеристики широкополосных распределительных матриц Серия, Тип используемых КСВН Развязка Коэффициент Коэффициент Точка пересечения по интер- Максимальная входная Размеры конфигурация переключателей 2,5 вход/выход, дБ усиления, дБ шума, дБ модуляции 3-го порядка, дБм мощность, дБм 3U×20″×19″ 2,5 20 4U×20″×19″ 4601, SP8T, 60 0 ±2 11 10 15 от 4×4 до 8×8 с фиксацией положения, 60 0 ±2 11 10 4701, с нагрузкой от 9×9 до 12×12 SP12T, с фиксацией положения, с нагрузкой Таблица 5. Характеристики твердотельных распределительных матриц Серия, Входные/выходные Диапазон рабочих КСВН Развязка Коэффициент Коэффициент Точка пересечения по интер- Максимальная входная конфигурация соединители частот, ГГц вход/выход, дБ усиления, дБ шума, дБ модуляции 3-го порядка, дБм мощность, дБм 1,8 15 3202, SMA female 0,8–2,5 1,8 55 0 ±2 14 25 20 от 6×6 до 12×12 1,5 55 0 ±2 15 BNC female 0,02–1,1 1,8 55 0 ±1 10 25 25 3203, 50 0 ±2 от 8×8 до 8×16 SMA female 0,02–0,2 20 15 3204, SMA female 0,002–0,032 30 25 от 6×6 до 12×12 3205, от 6×6 до 12×12 Таблица 6. Характеристики волоконно-оптических матриц Серия, Конфигурация сегментов: Длина волны в оптическом Вносимые потери Развязка Обратное Потери в зависимости Максимальная входная конфигурация матрицы crossbar/деление сигналов диапазоне, нм для двух сегментов, дБ между каналами, дБ отражение, дБ от времени, дБ оптическая мощность, мВт 7001, 16×16 8×14/2 сегмента 1×4 1530–1565 2/1,6 70 –50 0,3 500 7002, 16×16 14×15/1 сегмент 1×2 1530–1560 2/5,4 70 –47 0,4/0,55 500 Таблица 7. Характеристики крупногабаритных переключательных систем Серия, тип системы, Конфигурация Диапазон КСВН Развязка Коэффициент Точка пересечения Коэффициент Размеры; особенности рабочих между входом усиления, дБ по интермодуляции шума, дБ вес, кг частот, ГГц и выходом, дБ 3-го порядка, дБм 5096, 16×32, 3,4–4,2 1,3:1 60 –14 ±2 4 (выход) 17 34U×21″×19″; распределительная, расширяется до 32×64 133,8 (32×64) однонаправленная, одна стандартная стойка 5190/5191, 48×12 — приемная часть 0,950–2,05 1,8:1 60 0 ±2,5 21 (выход) 17 (12×48), по 16U×21″×19″ комбинирующая/распределительная, с комбинированием; 21 (48×12) передающая приемная и передающая стандартные 12×48 — передающая часть и приемная части стойки с распределением и другие модули 5230, 48×4 — комбинирующая часть; 0,95–2,05 1,8:1 60 0 ±2 24 для распределит. части, 18 распределительная часть, 9U×21″×19″ комбинирующая/распределительная, 4×48 — распределительная часть 17 для комбинирующей 20 комбинирующая часть выполненная в виде нестандартного блока Время переключения для обеих матриц Рис. 3. Внешний вид твердотельных Твердотельные матрицы также оборудо- составляет 300 мс, их масса — 22,68 кг. распределительных матриц ваны компьютерными модулями на базе Используемые соединители для входов и вы- ОС Windows и устройствами для жестких ходов различаются: N(f) и SMA(f) соответ- правленными. Их характеристики приведе- дисков. ственно. ны в таблице 5. Данные матрицы оптимальны для спутни- Матрицы оборудованы компьютерны- Как видно, эти матрицы отличаются ковых систем связи с относительно низкими ми блоками на основе Windows и съем- от других тем, что здесь, помимо относитель- рабочими частотами и значительной интен- ными носителями для жестких дисков. но высокочастотных моделей (серия 3202), сивностью переключения каналов. Локальное управление матрицами обеспе- присутствуют и низкочастотные модели чивается с помощью сенсорного экрана, уда- (серии 3204 и 3205), так, рабочие частоты Волоконно-оптические матрицы ленное управление осуществляется с по- матриц серии 3205 составляют 2–32 МГц. мощью интерфейса Ethernet (TCP/IP, Интересную группу представляют со- 10/100/1000 BASE-T). Время переключения каналов для твердо- бой матрицы, в которых используются во- тельных матриц составляет 100 мс. Размеры локонно-оптические технологии. В матри- Твердотельные данных матриц — 3U21″19″, масса 18,1 кг цах этого типа применяются одномодовый распределительные матрицы (рис. 3). волоконно-оптический кабель, оптические МЭМС-переключатели и делители мощно- Твердотельная технология является вто- сти. Используются МЭМС-переключатели рой основой для изготовления переключа- без фиксации замкнутого состояния (non- тельных матриц компании Dow-Key. На ее latching). Также эти матрицы отличаются базе компания выпускает распределительные от других алгоритмами коммутации: они матрицы четырех серий для разных частот- комбинируют методы динамической много- ных диапазонов. Матрицы являются однона- канальной коммутации (crossbar) и методы КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2021
ВЧ/СВЧ-элеметы компоненты 11 распределения входных сигналов. В группу входят модели двух серий (табл. 6). Комбинирование различных сегментов в матрицах происходит, к примеру, следую- щим образом. В модели 7001 сигналы с двух выходов (15 и 16) перенаправляются в обрат- ную сторону — на входы 9–12 и 13–16 соот- ветственно, что таким образом формирует два сегмента деления сигналов. Время переключения для этих моделей со- ставляет 35 мс, жизненный цикл 1 млрд пере- ключений, что существенно лучше, чем в элек- тромеханических и твердотельных матрицах. Размеры матриц 3U20″19″, масса 13,61 кг. Модели оборудованы компьютерными модулями, при этом локальное управление осуществляется с помощью сенсорного LCD- экрана и графического интерфейса пользо- вателя (Graphical User Interface — GUI). Для удаленного управления применяется интер- фейс Ethernet. Крупногабаритные переключательные системы Помимо относительно компактных Рис. 4. Переключательные системы 5096 (слева) и 5230 (справа) переключательных матриц, компания раз- рабатывает крупногабаритные переклю- сенсорного экрана может применяться кла- Представителем компании Dow-Key чательные системы с большим числом в России является ООО «Радиокомп» [3]. каналов (integrated systems). Они изготавли- виатура или манипулятор мышь, подключа- ваются с помощью твердотельной техноло- Литература гии. Системы формируются объединением емые через порт USB. Крупногабаритные пе- коммутационных и управляющих модулей 1. www.dowkey.com на базе стандартных приборных стоек или реключательные системы предназначены для 2. Кочемасов В. Н. Электромеханические пере- специальных блоков. В группу входят систе- мы трех серий, использующие разные алго- наземных комплексов спутниковой связи. ключатели ВЧ/СВЧ-сигналов — основные типы ритмы коммутации каналов (табл. 7). и производители. Части 1–3 // Электроника: Высокоэффективные переключательные НТБ. 2016. № 7–9. Первые две переключательные системы 3. www.radiocomp.ru выполнены на основе стандартных, высо- матрицы и системы компании Dow-Key ких приборных стоек. Удаленное управление ими осуществляется с помощью интерфейса могут быть успешно использованы мно- RS‑422. Третья модель изготовлена в виде от- носительно невысокого блока (рис. 4), для гими предприятиями и организациями удаленного управления применяются два порта Ethernet. России, работающими в сфере ВЧ- и СВЧ- Все переключательные системы оснаще- радиотехники и радиоэлектроники. n ны встроенными компьютерными модулями на базе Windows и носителями для жестких дисков. При локальном управлении помимо Реклама Реклама КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2021 www.kite.ru
12 компоненты датчики Мониторинг состояния человека на одной микросхеме ADPD4100/ADPD4101 Йигит Йолери (Yigit Yoleri) За последнее десятилетие мы стали свидетелями заметного прогресса в об- Гуиxуе (Глен) Бу (Guixue (Glen) Bu) ласти мобильных устройств, носимой электроники и цифрового здраво- охранения. В частности, сегодня наблюдается быстрое внедрение систем Перевод: Михаил Русских цифрового здравоохранения, являющееся следствием постоянного раз- вития электроники и недавних достижений в сфере облачных вычислений, [email protected] искусственного интеллекта (ИИ) и коммуникационных технологий, таких как «Интернет вещей» и 5G. Введение интерфейс функционирует как многопараме- пряжения питания светодиода и его типа. трический концентратор показателей монито- Для обеспечения возбуждения напряжением Сегодня некоторые функции монито- ринга жизненно важных функций для систем используется два импульсных источника на- ринга показателей жизнедеятельности синхронного измерения. Он характеризуется пряжения. В сигнальную цепь нового анало- уже реализуют телефоны, часы и другие низким уровнем шума и высоким отношени- гового внешнего интерфейса входят транс- интеллектуальные носимые устройства, ем сигнал/шум, имеет малые размеры и низ- импедансный усилитель, полосовой фильтр, благодаря чему эти возможности стали кое энергопотребление, что позволяет зна- интегратор и аналого-цифровой преоб- доступными гораздо большему числу по- чительно улучшить медицинские, особенно разователь. Цифровой блок обеспечивает требителей. Необходимость в информи- носимые устройства. Таким образом, для вра- несколько режимов работы, программируе- рованности о состоянии здоровья вызвала чей, пациентов и потребителей мониторинг мую синхронизацию, управление линиями потребность в компактных, но в то же вре- показателей жизнедеятельности становится ввода/вывода общего назначения, усредне- мя высокоточных устройствах, способных проще, чем когда-либо прежде, за счет более ние и каскадный интегрально-гребенчатый измерять различные показатели жизне- высоких рабочих характеристик, длительного фильтр с выбором его порядка от второго деятельности и маркеры здоровья, такие как времени работы от батареи и большей точно- до четвертого. Данные считываются непо- температура, частота сердечных сокращений, сти, при этом пользователи не почувствуют средственно из регистра данных или из бу- частота дыхания, уровень насыщения крови утомительный дискомфорт, вызванный но- фера FIFO («первый зашел, первый вышел»). кислородом (SpO2), артериальное давление шением нескольких устройств. В этой статье и состав тканей тела. В частности, из-за пан- рассматриваются некоторые инновационные Новый аналоговый интерфейс представлен демии COVID‑19 значительно возрос спрос возможности и особенности этого аналогово- в двух вариантах. В одном для связи исполь- на устройства, способные контролировать го внешнего интерфейса. зуется интерфейс I2C, в другом — SPI. Одним несколько показателей жизнедеятельности, из преимуществ ADPD4100/ADPD4101 яв- в том числе температуру, SpO2 и частоту сер- Обзор новой микросхемы ввода ляется высокая точность измерения оптиче- дечных сокращений, как в больницах, так аналоговых сигналов ских сигналов. Его функция автоматического и дома. Потребность в компактных и удоб- подавления окружающего света использует ных в ношении и использовании устрой- ADPD4100/ADPD4101 представляет собой импульсы длительностью до 1 мкс в схеме ствах для отслеживания состояния здоровья, мультифункциональное устройство ввода синхронной модуляции в сочетании с поло- предпочтительно в виде интеллектуальных данных, которое имеет восемь аналоговых совым фильтром, тем самым устраняя необ- носимых гаджетов, достигла исторически входов и поддерживает до 12 программируе- ходимость во внешних контурах управления, высокого уровня. мых временных интервалов, которые предо- вычитании постоянной составляющей тока ставляют возможность выполнять 12 отдель- или цифровых алгоритмах. Коэффициент Оснащение таких компактных устройств ных измерений за период выборки. Восемь децимации выше 1 может использовать- несколькими возможностями мониторинга аналоговых входов мультиплексированы ся для увеличения отношения сигнал/шум показателей жизнедеятельности сопряжено в один канал или два независимых канала на выходе. Данный аналоговый входной с решением нескольких задач, в том числе и позволяют одновременно производить интерфейс также имеет функцию прорежи- с обеспечением более компактных размеров, выборку с двух датчиков при их однополяр- вания, которая позволяет выбранным вре- более низкого энергопотребления и много- ном или дифференциальном подключении. менным интервалам работать с более мед- параметрического измерения, при этом ра- В устройстве имеются восемь светодиодных ленными частотами дискретизации, чем бочие характеристики также должны быть драйверов, способных одновременно управ- запрограммированная частота дискретиза- значительно улучшены. Теперь все эти задачи лять четырьмя светодиодами и служащих ис- ции, таким образом сокращая энергопотре- выполнимы с помощью одной микросхемы точниками тока, их работа не зависит от на- бление, поскольку в данном случае оно про- аналогового ввода. Этот новый аналоговый порционально частоте дискретизации. Также КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2021
датчики компоненты 13 в устройстве предусмотрена функция обна- Рис. 1. Стандартная схема для измерения фотоплетизмографического сигнала ружения пределов сигнала трансимпеданс- ного усилителя, в рамках которой использу- окружающего света и высокое отношение ный шум интегратора. Выбор более высокого ются компараторы напряжения на выходных сигнал/шум. Он хорошо работает с коэффи- коэффициента усиления трансимпедансного линиях трансимпедансного усилителя для циентами передачи заряда (CTR или отноше- усилителя приводит к снижению приведенно- установки бита прерывания, когда входной ние фототока к току светодиода) в пределах го к входу шума, но уменьшает динамический сигнал усилителя выходит за допустимые 5–10 нА/мА и может обеспечивать отноше- диапазон этого усилителя. Динамический ди- пределы. ние сигнал/шум 95–100 дБ. Эти уровни мож- апазон трансимпедансного усилителя равен но увеличить, повысив коэффициент деци- (TIA_VREF)/(коэффициент усиления транс- ADPD4100/ADPD4101 является оптималь- мации. В данном режиме задействованы все импедансного усилителя). Чтобы повысить ным концентратором сигналов, получаемых элементы сигнальной цепи, а именно транс- уровень насыщения АЦП, можно уменьшить от различных электрических и оптических импедансный усилитель, полосовой фильтр, коэффициент усиления трансимпедансного датчиков, применяемых в носимых меди- интегратор и АЦП. При этом входящий за- усилителя или увеличить сопротивление ре- цинских устройствах и фитнес-трекерах, ко- ряд интегрируется единожды за один период зистора интегратора. Выбор большего сопро- торые позволяют осуществлять мониторинг преобразования АЦП. Во время одного со- тивления резистора интегратора позволяет частоты сердечных сокращений и вариабель- бытия фотоплетизмографического процес- уменьшить шум, а выбор меньшего сопро- ности сердечного ритма, мониторинг артери- са большая часть динамического диапазона тивления — увеличить запас по невосприим- ального давления, отслеживание стрессовых интегратора используется при интегрирова- чивости к внешнему освещению. состояний и состояния сна, а также прово- нии заряда, полученного от датчика. После дить измерения SpO2. Различные режимы периода предварительной обработки сигна- Режим многократного работы нового многопараметрического ла обеспечивается непрерывная связь транс- интегрирования аналогового внешнего интерфейса предус- импедансного усилителя с входами, то есть матривают выполнение различных измере- входной сигнал при такой конфигурации Режим многократного интегрирования ний, в том числе фотоплетизмографических модулироваться не будет. Для уменьшения аналогичен режиму непрерывного измере- измерений, измерений для формирования шума анод фотодиода подключается к линии ния с той лишь разницей, что входящий за- электрокардиограмм, определение электро- опорного напряжения трансимпедансного ряд интегрируется несколько раз в течение дермальной активности и состава тканей усилителя (TIA_VREF). TIA_VREF обычно уста- одного периода преобразования АЦП. Этот тела, измерение частоты дыхания, а также из- навливается на 1,27 В, чтобы получить наибо- режим разумно использовать для получения мерение температуры и окружающего осве- лее широкий динамический диапазон транс- высокого отношения сигнал/шум в условиях щения в медицинских целях. импедансного усилителя. Катод фотодиода низкой освещенности, поскольку он исполь- подключается к выводу источника напряже- зует небольшую долю (иногда менее 50%) Фотоплетизмографические ния катода (VCx), и устройство, как правило, динамического диапазона для обработки измерения настраивается на выдачу на катод фотодиода события. Следовательно, он позволяет ис- напряжения, равного TIA_VREF+215 мВ, с це- пользовать больший динамический диапа- В рамках фотоплетизмографии определяют лью создания обратного смещения 215 мВ зон интегратора вследствие многократной изменение объема крови в микроваскуляр- на фотодиоде. Это позволяет снизить уровень интеграции до преобразования АЦП. Каждое ном русле ткани при каждом сердечном цикле шума в тракте прохождения сигнала и умень- удвоение операций интегрирования на один (рис. 1). Степень поглощения света соответ- шить емкость фотодиода. В данном режиме период преобразования АЦП позволяет уве- ствует изменению объема крови вследствие стандартная длительность импульса свето- личить отношение сигнал/шум на 3 дБ, что сокращения (систолы) и расслабления (диа- диода составляет 2 мкс. Применение более дает тот же эффект, что и удвоение количе- столы) сердечной мышцы, в результате чего коротких световых импульсов обеспечивает ства импульсов. Поскольку этот режим при- вырабатывается фотоплетизмографический наилучшее подавление окружающего света. меняется, как правило, при довольно малых сигнал. Фотоплетизмографическое измере- Если использовать несколько световых им- входных сигналах, в данном случае следует ние выполняется подачей светового импульса пульсов, можно увеличивать отношение сиг- выбирать как можно более высокий коэффи- от светодиода в ткани человека и получением нал/шум на 3 дБ при каждом удвоении числа циент усиления трансимпедансного усили- результирующего отраженного/прошедшего импульсов. Для получения наибольшего от- теля. Данный режим используется в случаях, света с помощью фотодиода, который преоб- ношения сигнал/шум имеется возможность когда коэффициент передачи заряда ниже разует свет в фототок. ADPD4100/ADPD4101 шунтирования интегратора, поскольку бла- 5 нА/мА и требуется высокая степень пода- измеряет фототок и обрабатывает получен- годаря этому можно устранить низкочастот- вления окружающего света. ные данные, а затем выдает фотоплетизмо- графический сигнал в цифровом виде. Этот аналоговый входной интерфейс легко настра- ивается для работы в четырех различных ре- жимах, чтобы реализовать различные вари- анты измерения фотоплетизмографического сигнала (не производя каких-либо изменений аппаратной части): режим непрерывного из- мерения, режим многократного интегрирова- ния, «плавающий» режим и режим цифрово- го интегрирования. Режим непрерывного измерения Режим непрерывного измерения является стандартным режимом для проведения из- мерения фотоплетизмографического сиг- нала. Он обеспечивает лучшее подавление КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2021 www.kite.ru
14 компоненты датчики «Плавающий» режим выключен. Выборки АЦП берутся с интервалами 1 мкс в области с освещением и без освещения и интегрируются в цифровом виде. «Плавающий» режим также применим при слабом освещении Сигнал рассчитывается путем вычитания проинтегрированных вы- с целью получения высокого отношения сигнал/шум и позволяет борок, полученных при работе в области без освещения, из выборок, накапливать заряд на фотодиоде без генерации шума. Фотодиод от- полученных при работе в области с освещением. В этом режиме воз- ключается от аналогового входного интерфейса («плавает» в воздухе) можны более длинные световые импульсы, излучаемые светодио- и накапливает световой заряд, не создавая помех. Затем фотодиод дом, следовательно, это стандартный режим работы, при котором подключается обратно к аналоговому интерфейсу, и заряд передается фотодиод имеет большее время отклика и требует более длитель- в интерфейс, интегрирование выполняется таким образом, что обе- ных импульсов. Полосовой фильтр в этом режиме зашунтирован спечивается обработка максимального количества заряда за импульс и отключен. Режим цифрового интегрирования обеспечивает наи- с минимальным количеством шума, накладываемым при прохожде- меньшее энергопотребление и максимально достижимые уровни нии сигналом каждого элемента сигнальной цепи. Сброс заряда осу- отношения сигнал/шум. Тем не менее здесь обеспечивается не такое ществляется очень быстро за счет коротких импульсов модуляции, качественное подавление окружающего света, как в режиме непре- таким образом, накладывается минимальное количество шума при рывного соединения, из-за более длительных импульсов светодиода прохождении сигналом всей цепи. Кроме того, время, в течение ко- и шунтирования полосового фильтра. В режиме цифрового интегри- торого фотодиод находится в «плавающем» состоянии, может быть рования не поддерживается одновременная выборка по двум каналам увеличено для достижения более высоких уровней сигнала, но сле- в течение одного временного интервала, но может быть достигнуто дует учитывать, что величина накапливаемого заряда ограничена ем- отношение сигнал/шум свыше 100 дБ. костью фотодиода. В этом режиме полосовой фильтр зашунтирован, потому что форма генерируемого сигнала при передаче заряда от фо- Преимущества и недостатки режима тодиода посредством модуляции подключения к трансимпедансному цифрового интегрирования усилителю может различаться в зависимости от устройств и условий. Чтобы обеспечить точное согласование сигнала с последователь- Как уже упоминалось, стандартным режимом работы для осу- ностью интегрирования, необходимо зашунтировать полосовой ществления фотоплетизмографических измерений является режим фильтр. Этот режим не позволит добиться качественного подавле- непрерывного измерения, поскольку он обеспечивает высокое со- ния окружающего света, причем он ограничен емкостью фотодиода, отношение сигнал/шум и отличное подавление окружающего света но обеспечивает меньшее энергопотребление и меньший уровень в условиях, когда коэффициент передачи заряда больше 5 нА/мА. шумов при измерении в условиях очень низкой освещенности. Однако режим цифрового интегрирования поддерживает самые вы- сокие уровни отношения сигнал/шум и оптимальные показатели «Плавающий» режим отношения сигнал/шум на 1 Вт. Следовательно, если влияние окру- или режим многократного интегрирования жающего света невелико, а требуемое отношение сигнал/шум превы- для измерения в условиях низкой освещенности шает 85 дБ, можно выбрать режим цифрового интегрирования для эффективного достижения высокого отношения сигнал/шум. Если В условиях низкой освещенности при коэффициенте передачи требуемое отношение сигнал/шум ниже 85 дБ, то разница в энерго- заряда менее 5 нА/мА стандартным режимом работы является «пла- потреблении между режимом цифрового интегрирования и режи- вающий» режим. Он позволяет достичь более низкого уровня шума мом непрерывного соединения будет незначительна. по сравнению с режимом многократного интегрирования, потому что для режима многократного интегрирования требуется большее Подводя итог, можно сказать, что выбирать режим цифрового число циклов интегрирования, из-за чего трансимпедансный усили- интегрирования следует, если для фотодиода необходимы более тель и интегратор вносят больше шумов. «Плавающий» режим более длинные импульсы из-за более продолжительного времени отклика энергоэффективен, чем режим многократного интегрирования, по- фотодиода или когда нет потребности в проведении одновременной скольку в этом режиме полосовой фильтр отключен и он обеспечива- выборки по двум каналам в пределах одного временного интервала. ет меньшее время измерения. Следовательно, в «плавающем» режиме Кроме того, если влияние окружающего света невелико, а нужное отношение сигнал/шум на 1 Вт значительно выше. отношение сигнал/шум превышает 85 дБ, предпочтителен режим цифрового интегрирования, позволяющий достичь наименьшего Если фотодиод характеризуется значительной утечкой или из- энергопотребления. мерение фотоплетизмографического сигнала выполняется при зна- чительном количестве окружающего света, предпочтителен режим Области применения фотоплетизмографии многократного интегрирования. Фотодиоды, которым свойственен высокий уровень утечки, нельзя использовать при работе в «плава- В условиях пандемии COVID‑19 резко возросла роль фотопле- ющем» режиме, ведь заряд в этом случае будет утекать, а не накапли- тизмографии, применяемой в системах мониторинга показателей ваться до того, как произойдет его быстрый сброс. Если измерение жизнедеятельности и диагностики состояния здоровья. При этом проводится при сильном окружающем свете, то «плавающий» режим отслеживание некоторых показателей жизнедеятельности чрезвы- также неприемлем, так как окружающий свет будет преобладать над чайно важно для своевременного обнаружения инфекции. К этим тем количеством заряда, который может быть накоплен на фотодио- показателям можно отнести, например, частоту сердечных сокраще- де. С другой стороны, режим многократного интегрирования обеспе- ний и уровень насыщения крови кислородом (SpO2), которые можно чивает отличное подавление окружающего света за счет использова- определить с помощью пульсоксиметрии и измерения артериально- ния полосового фильтра и коротких световых импульсов. го давления. Режим цифрового интегрирования Оптический и неинвазивный мониторинг SpO2, также извест- ный как пульсоксиметрия, стал практически незаменимым при Во всех режимах, рассмотренных выше, используется интегратор обнаружении гипоксии у пациентов с COVID‑19. Гипоксия, которая для интегрирования входящего заряда. Но цифровое интегрирование является одним из основных симптомов COVID‑19, представляет полученных от АЦП выборок также возможно в режиме цифрового собой нарушение снабжения тканей организма кислородом и может интегрирования. Для осуществления цифрового интегрирования вызвать учащение пульса, поэтому оптический и неинвазивный интегратор преобразуется в буфер. Режим цифровой интеграции мониторинг сердечного ритма также способствует обнаружению работает в двух областях. В области с освещением светодиод мигает, вируса в организме. посылая световые импульсы, а в области без освещения светодиод Интеграция в одном компоненте нескольких возможностей мо- ниторинга показателей жизнедеятельности является оптимальной, КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2021
датчики компоненты 15 Таблица. Различные режимы работы и настройки ADPD4100/ADPD4101 Режим Стандартные настройки Комментарии Режим непрерывного измерения Стандартный режим для осуществления фотоплетизмографических измерений. Режим цифрового интегрирования SAMPLE_TYPE=0 Обеспечивает наилучшее подавление окружающего света, низкий уровень шума и низкое энергопотребление. MOD_TYPE=0 В этом режиме отношение сигнал/шум может достигать более 95 дБ с шунтированием интегратора и децимацией. «Плавающий» режим NUM_INT=1 Требуется высокий коэффициент передачи заряда (свыше 5 нА/мА). Режим многократного интегрирования NUM_REPEAT≥1 Обеспечивает наименьшее энергопотребление при отношении сигнал/шум выше 85 дБ. Может обеспечивать самые высокие уровни отношения сигнал/шум (выше 100 дБ) за счет использования более длинных световых импульсов. SAMPLE_TYPE=1|2 Подходит для случаев применения, когда влияние окружающего света не велико. MOD_TYPE=0 Также подходит для случаев применения, когда датчик не может работать с короткими импульсами из-за медленного времени отклика. NUM_INT≥1 Не поддерживается одновременная выборка по двум каналам. NUM_REPEAT≥1 Работает в условиях низкой освещенности (при коэффициенте передачи заряда менее 5 нА/мА). Используется, когда режим непрерывного соединения не обеспечивает 50% полного диапазона. SAMPLE_TYPE=0 Подходит для случаев применения, когда влияние окружающего света не велико. MOD_TYPE=1 Обеспечивает более низкий уровень шума и более низкое энергопотребление, чем в режиме многократного интегрирования. NUM_INT=1 NUM_REPEAT≥1 Работает в условиях низкой освещенности (при коэффициенте передачи заряда менее 5 нА/мА). Используется, когда режим непрерывного соединения не обеспечивает 50% полного диапазона. SAMPLE_TYPE=0 Подходит для случаев применения, когда необходимо значительно подавить влияние окружающего света. MOD_TYPE=0 NUM_INT>1 NUM_REPEAT≥1 если не обязательной для будущих носимых устройств, что делает ADPD4100/ADPD4101 наиболее подходящим компонентом с этой точки зрения. Данный аналоговый входной интерфейс может из- мерять любые типа сигналов от датчиков (в том числе температуру, ЭКГ и частоту дыхания). Таким образом, на основе этого одного аналогового интерфейса можно реализовать полноценную много- параметрическую платформу мониторинга показателей жизнедея- тельности. Пульсоксиметрия — измерение SpO2 Пульсоксиметрические измерения выполняются с помощью крас- Рис. 2. Фотоплетизмографические сигналы красного, зеленого и инфракрасного ных (как правило, с длиной волны 660 нм) и инфракрасных (ИК) диапазонов и переменная и постоянная составляющие ИК-сигнала светодиодов (обычно с длиной волны 940 нм). Деоксигенированный гемоглобин поглощает больше света с длиной волны 660 нм, а окси- Зеленый светодиод с длиной волны около 540 нм, как правило, генированный гемоглобин поглощает больше света с длиной вол- является наиболее предпочтительным средством для осуществления ны 940 нм. Фотодиод воспринимает только непоглощенный свет. мониторинга сердечного ритма. Он обеспечивает получение более Полученные от фотодиода сигналы затем делятся на компоненты качественного фотоплетизмографического сигнала, поскольку имеет постоянного и переменного тока. Компонент постоянного тока более высокий индекс модуляции по сравнению с красным свето- представляет собой величину поглощения света тканями, венозной диодом или ИК-светодиодом. Он также обеспечивает приемлемый кровью и непульсирующей артериальной кровью. Компонент пере- коэффициент передачи заряда, благодаря чему энергопотребление менного тока представляет пульсирующую артериальную кровь. будет не слишком высоким. Зная эти компоненты, можно рассчитать процент SpO2 по следую- щей формуле: Отношение сигнал/шум по переменному току является пара- метром качества сигнала и может быть вычислено с помощью ин- %SpO2 = (ACкрасн/DCкрасн)/(ACИК/DCИК). декса модуляции и отношения сигнал/шум по постоянному току. Например, с индексом модуляции 1% отношение сигнал/шум Любые два временных интервала ADPD4100/ADPD4101 можно по постоянному току, равное 95 дБ, преобразуется в отношение сиг- настроить для измерения сигналов от красного светодиода и ИК- нал/шум по переменному току, равное 55 дБ. светодиода, чтобы определить количество SpO2. Оставшиеся времен- ные интервалы могут быть настроены для осуществления фотопле- Измерение сигналов ЭКГ тизмографических измерений с использованием светодиодов с разной длиной волны, а также для измерения ЭКГ, обнаружения отсоедине- ния электродов, измерения частоты дыхания и проведения любых других измерений с использованием датчиков других типов (таблица). На рис. 2 в качестве примера показаны синхронные фотоплетиз- мографические сигналы красного, зеленого и инфракрасного диапа- зонов, а также переменная и постоянная составляющие ИК-сигнала. Мониторинг сердечного ритма Сегодня функция измерения сигналов для формирования ЭКГ имеется во многих носимых устройствах, например в наручных часах Мониторинг сердечного ритма очень важен при выявлении для периодических измерений и нагрудных пластырях для непре- COVID‑19. Когда вследствие гипоксии поступление кислорода рывного мониторинга. Такие устройства, как правило, имеют в своем в кровь уменьшается, сердце начинает биться быстрее, чтобы обе- составе поляризованные электроды из металлов и других проводя- спечить ткани достаточным количеством кислорода. Проведение щих материалов, называемые сухими электродами. Основной труд- мониторинга сердечного ритма также эффективно для выявления ностью, осложняющей процесс измерения с использованием сухих заболеваний, связанных с сердцем, или отслеживания состояния ор- электродов, являются высокое сопротивление контакта электрода ганизма при занятии спортом. с кожей и относительно высокий потенциал. КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2021 www.kite.ru
16 компоненты датчики а б Рис. 3. Измерительная установка для формирования ЭКГ: а) RC-схема для получения выборок и схема обнаружения отсоединения электродов; б) иллюстрация процесса зарядки и передачи заряда для каждой выборки данных ЭКГ В стандартных решениях для получе- метод представляет собой двухэтапный про- количества внешних компонентов и мень- ния ЭКГ, основанных на инструменталь- цесс для каждой выборки данных ЭКГ. шее энергопотребление. ных усилителях, используются буферы для уменьшения высокого импеданса контакта Два входных контакта (IN7 и IN8) «висят Благодаря функциональности ADPD4100/ электрода с кожей, который ослабляет сиг- в воздухе» во время этапа зарядки. Заряд ADPD4101, используя подход на основе из- нал. Также с целью подавления синфазного конденсатора CS пропорционален дифферен- мерения биоимпеданса, к этому решению напряжения человеческого тела, электродов циальному напряжению на двух электродах, следует добавить возможность обнаруже- и кабелей реализуется схема RLD (Right Leg если время зарядки больше 3τ, где τ — по- ния отсоединения электродов. На рис. 3а Drive), в которой используется третий элек- стоянная времени, определяемая сопротив- показана схема обнаружения отсоединения трод, и обратно на тело подается опорное на- лением RS и емкостью CS, а именно τ = 2RSCS. электродов с импульсами возбуждения, по- пряжение. На этапе передачи заряда конденсатор под- сылаемыми на один электрод, и током, полу- ключается к трансимпедансному усилителю, чаемым на другом электроде. Если один или Для формирования ЭКГ в ADPD4100/ и заряд передается на аналоговый входной оба электрода будут отсоединены от кожи, ADPD4101 применен новый подход, заклю- интерфейс, где происходит измерение его ве- то путь прохождения тока прервется, и ток чающийся в использовании пассивной цепи личины. Такое решение для ЭКГ на основе не будет получен. На рис. 4 показаны график из резисторов и конденсатора (RC-цепь), измерения заряда имеет несколько преиму- ЭКГ и график полученного электрического которая позволяет отслеживать дифферен- ществ по сравнению со стандартным реше- тока для реализации функции обнаружения циальное напряжение на паре электродов. нием, среди которых можно назвать устра- отсоединения электродов, где сигналы ЭКГ Пассивная RC-цепь может состоять из трех нение необходимости в буферах и третьем измеряются во временном интервале A, а ток компонентов, двух резисторов RS и конден- электроде для схемы RLD, уменьшение раз- для обнаружения отсоединения электро- сатора CS, как показано на рис. 3a. Данный мера системы за счет применения меньшего дов — во временном интервале B. По сравнению с предназначенной для об- наружения отсоединения электродов схемой на основе подтягивающего резистора, ис- пользуемой в стандартных решениях для из- мерения сигналов ЭКГ, где подтягивающий резистор влияет на входной импеданс схе- мы измерения сигналов ЭКГ, в данной схе- ме обнаружения отсоединения электродов на основе измерения биоимпеданса в отдель- ном временном интервале ничто не влияет на процесс измерения сигналов ЭКГ. В этой схеме ЭКГ снимается сразу после восстанов- ления контакта электрода с кожей. Измерение частоты дыхания на основе измерения импеданса Рис. 4. Измерение сигналов ЭКГ и функция обнаружения отсоединения электродов. Измерение частоты дыхания с помощью Мгновенное восстановление процесса считывания сигналов ЭКГ со связью по постоянному сигналу ADPD4100/ADPD4101 производится за счет определения изменений биоимпеданса легких во время циклов вдоха и выдоха. Измерение частоты дыхания во время на- блюдения за состоянием пациента в отде- лении интенсивной терапии и во время сна КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2021
датчики компоненты 17 а позволяет отслеживать состояние пациента и своевременно по- давать сигналы тревоги для спасения жизней. Эта функция очень б важна для пациентов с респираторными заболеваниями и апноэ. Рис. 5. Измерение сигналов ЭКГ и частоты дыхания: Одно только апноэ является серьезной угрозой общественно- а) внешние схемы для измерения сигналов ЭКГ и частоты дыхания методом Кельвина; му здоровью: в США этим заболеванием страдают более 25 млн б) пример синхронного измерения сигналов ЭКГ, частоты дыхания, взрослых [1]. а также фотоплетизмографических сигналов Когда пациент дышит, легкие расширяются и сжимаются, что при- новости рынок водит к изменению импеданса грудной клетки. Это изменение импе- данса можно измерить, подав ток на путь через грудную клетку и из- мерив падение напряжения. На рис. 5а представлена типовая схема, в которой используются два электрода для измерения сигналов ЭКГ и мониторинга частоты дыхания. На рис. 5б показаны синхронно за- писанные сигналы ЭКГ, соответствующие частоте дыхания сигналы измерения импеданса, а также фотоплетизмографические сигналы. Сигналы ЭКГ и частоты дыхания измерялись с помощью сухих элек- тродов из нержавеющей стали, прикрепленных к левому и правому запястьям, а фотоплетизмографические сигналы — с помощью зеле- ного светодиода. Заключение Сегодня все больше интеллектуальных носимых устройств осна- щаются возможностями мониторинга показателей жизнедеятель- ности. Информация о здоровье, предоставляемая носимыми устрой- ствами, может играть важную роль в деле улучшения состояния здоровья и при лечении болезней. Чтобы удовлетворить спрос и сде- лать эти устройства более доступными, разработчики должны учиты- вать предъявляемые к подобным приборам стандартные требования, такие как стоимость, размер и энергопотребление. Инновационный аналоговый входной интерфейс ADPD4100/ADPD4101 компании Analog Devices может работать в качестве концентратора сигналов для задач многопараметрического мониторинга показателей жизне- деятельности. Использование одного аналогового интерфейса по- зволяет сократить количество микросхем, необходимых для реа- лизации систем многопараметрического мониторинга показате- лей жизнедеятельности, и, следовательно, значительно снизить стоимость и размер системы. Кроме того, многопараметрические системы на основе ADPD4100/ADPD4101 способны генерировать синхронные данные, благодаря чему исключается необходимость в синхронизации данных. n Литература 1. Rising Prevalence of Sleep Apnea in U. S. Threatens Public Health. American Academy of Sleep Medicine (AASM). September 2014. 2. www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/multiparameter-vital-signs- monitoring-easier-than-ever-before.html ГК «Радиант» — дистрибьютор компании AmpliVisions ГК «Радиант» подписала договор дистрибьюции в частотных диапазонах 20 МГц – 60 ГГц. В зависимости от выходной мощ- с компанией AmpliVisions. Офис компании и произ- ности и назначения усилители выпускаются в модульном и стоечном (rack- водственные мощности находятся в г. Чэнду (провин- mount) исполнении. ция Сычуань, КНР). ГК «Радиант» сообщает о начале продвижения и поставок на российский рынок электронных компонентов Коллектив высококвалифицированных инженеров‑исследователей и ин- производства AmpliVisions. женеров‑разработчиков, конструкторов и инженеров‑испытателей компа- Компания AmpliVisions была основана в 2015 году как разработчик и про- нии AmpliVisions создает превосходные образцы твердотельных усилителей изводитель радиочастотных твердотельных усилителей мощности. мощности, удовлетворяющих требованиям заказчиков в самых различных В процессе развития компания расширяла линейку выпускаемой продук- областях применения радиоэлектронной техники — телекоммуникационном ции и в настоящее время серийно производит широкополосные (broadband) оборудовании, системах специальной радиосвязи и РЭБ, высокочастотном усилители, узкополосные (narrowband) и импульсные (pulse) усилители испытательном оборудовании и радиолокационных станциях. на основе арсенид-галлиевой технологии, предназначенные для работы www.radiant.su КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2021 www.kite.ru
18 на правах рекламы Промышленные электронные компоненты от Panasonic Industry: самые высокие стандарты автоматизации и производства В каталоге TME особое место занимает предложение зоном параметров, подходящих для многих приложений и имеющих бренда Panasonic Industry. Это очень широкий выбор различные размеры. товаров, предназначенных для производства электрон- ных устройств высочайшего качества. К ним относятся Миниатюрные реле серий DE, DK, DS-P предназначены для ком- как небольшие пассивные компоненты, например пре- мутации тока даже 10 А. Они разработаны в соответствии с промыш- цизионные резисторы, так и электромеханические де- ленными стандартами для электрического оборудования ЕС, Японии тали, в частности реле. Безусловно, стоит ознакомиться и США. Устанавливаются не только в блоках питания, контроллерах, с полным спектром товаров Panasonic Industry в дистри- но и в потребительских товарах, электронике и бытовой технике. буции TME. В статье представлена подборка элементов, Контактные нагрузки этих серий могут достигать 300 Вт (в зависи- которые представляют собой репрезентативный пример мости от модели), поэтому могут эксплуатироваться в приложениях качества, надежности и разнообразия предложения коммунальной автоматизации. этого известного японского производителя. Другой тип реле от Panasonic — сверхминиатюрные сигналь- Датчики движения Panasonic для «умных» домов ные компоненты, такие как серия TX. Разработанные для точных устройств не только связи и измерения, но и медицинской отрас- Во многих системах автоматизации, включая «умные» дома или ли, они предлагают хорошие параметры изоляции (2000 В DC) при системы сигнализации, используются отражающие датчики движе- небольших размерах. Соответствующее решение — серия компакт- ния. Компоненты этого типа в линейке Panasonic называются PaPIR ных реле AGN с высокой чувствительностью. (от Panasonic Passive Infrared, или Pyroelectric). В каталоге TME пред- ставлены две серии таких элементов. Это цифровые датчики, пред- В зависимости от модели номинальное напряжение катушки со- назначенные для монтажа на печатной плате (THT), изготовленные ставляет даже 3 В DC при потребляемой мощности 140 мВт. Данные из экологически чистых материалов. элементы также выпускались в первую очередь для телекомму- никационных и измерительных приложений, для аудио- и видео- Первая серия — элементы общего назначения, EKMC. Они осна- устройств и систем безопасности. Здесь следует выделить еще две щены линзами трех типов: стандартными, профилированными для группы продукции, а именно низкопрофильные элементы серии настенных устройств или служащими для обнаружения движения AGQ и TX, которые во многом представляют собой миниатюрные с больших расстояний (до 12 м). Помимо мониторинга или контрол- версии серий TX и AGN со схожими параметрами и назначением. леров автоматического освещения, они используются в системах ото- Разработанные для THT- и SMT-монтажа, они могут быть установле- пления, вентиляции и кондиционирования воздуха HVAC, машинах, ны на плате (с помощью машины) или в гнезда стандарта DIL. предназначенных для общественного пользования (например, в би- летных автоматах), или даже в многофункциональных принтерах. Заслуживают внимания и однофазные, то есть полупроводни- Данные компоненты имеют цифровые и аналоговые выходы. ковые, реле SSR серии AQ-H. Закрытые в типовых корпусах для монтажа на печатную плату, они являются реальной альтернативой Серия EKMB включает аналогичный набор линз, а ее дополнитель- электромеханическим элементам, предлагают диэлектрическую изо- ным преимуществом является чрезвычайно низкое энергопотребле- ляцию до 5000 В AC и адаптированы для работы с напряжениями ние (даже 1 мкА), а также высокая устойчивость к помехам с частотой электрических сетей США и Европы (max 600 В AC). Их отличает до гигагерц. Таким образом, эти исключительно цифровые компо- небольшой управляющий ток (50 мА) и широкий диапазон рабочих ненты адаптированы к приложениям «Интернета вещей» (IoT), в том температур –30…+85 °C. числе мобильным и работающим от батарей. Переключатели от Panasonic Электромагнитные и полупроводниковые реле Переключатель — небольшой, но важный компонент любых Основная задача любой системы автоматизации — управление, устройств, связанных с автоматизацией, не только как часть панелей и чаще всего оно осуществляется с помощью реле. В этой области управления, но и как элемент механизма — например, он работает бренд Panasonic Industry предлагает компоненты с широким диапа- как концевой выключатель. Переключатели выполняют множество функций, но независимо от конкретной задачи важнейшими требо- ваниями к ним в промышленной и бытовой автоматике являются надежность, долговечность и устойчивость к суровым условиям экс- плуатации. Это могут быть, в частности, высокая или низкая темпе- ратура, пыль и влага — таковы факторы, воздействию которых будут подвергаться компоненты, установленные в автомобилях и других транспортных средствах, а также обычные пылесосы. Переключатели Snap Action серий ASQ, ABJ и ABS от Panasonic предназначены именно для таких приложений. Механизм, защи- щенный уплотнителем, и закрытый корпус гарантируют этим из- делиям степень защиты IP67, а потому они устойчивы как к пыли, так и к брызгам. Более того, они могут работать при температуре в пределах –45…+85 °C. В каталоге TME эти изделия представлены КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2021
на правах рекламы 19 в различных вариантах исполнения: сверхминиатюрные, оснащен- ные рычагами (в том числе рычагами, имитирующими ролик), пред- назначенные для монтажа на печать или напайки на провода. Сенсорные переключатели — особый тип переключателей, широ- ко используемых в автоматизации. Среди прочего Panasonic предла- гает серии ESE13 и ESE18 данного типа компонентов. Это элементы, отвечающие за обнаружение носителя в электронных устройствах (диска в плеере или карты в цифровом аппарате) или, например, за открытие крышки. Они отличаются небольшими размерами (на- пример, высота 1,2 мм, ширина 4,2 мм) и приспособляемостью к по- верхностному монтажу (SMT). Являясь лидером японской миниатюризации, Panasonic также предлагает микровыключатели типа TACT в компактных корпусах, предназначенных для поверхностного монтажа. В каталоге TME это, в частности, серии EVQQ2, EVQPL и EVPAA. Размер их основания составляет всего 3,52,9 мм. Такие изделия предназначены в первую очередь для устройств из категории бытовой электроники: мобиль- ных телефонов, ноутбуков, портативных и автомобильных аудио- плееров и т. д. С технической точки зрения это переключатели с про- стой конфигурацией контактов SPST, с поверхностным монтажом, удобные для машин. Бренд производителя гарантирует высочайшее качество и продолжительную надежную работу (до 2 млн циклов для некоторых моделей) этих компонентов. Пассивные компоненты от Panasonic Пассивные компоненты Panasonic Industry могут составить от- дельную категорию в предложении TME. Это тысячи компонентов с идеальными характеристиками, которые выпускаются практически для всех отраслей промышленности. Далее представляем всего два примера из огромного выбора товаров от японского производителя. На протяжении многих лет конденсаторы были самыми проблем- ными из пассивных электронных компонентов, но сегодня разви- тие технологий позволило значительно увеличить их срок службы и долговечность. Примером столь долгой эволюции являются алю- миниевые электролитические конденсаторы SMD серий FK и FT от Panasonic, предназначенные для поверхностного монтажа. Это компоненты с низким импедансом (с низким ESR), адаптированные для работы с высокими токами пульсаций. Кроме того, они могут быть защищены от вибрации, что позволяет эксплуатировать их в та- ких приложениях, как электромобили или промышленные машины. Благодаря своим свойствам они в основном применяются в системах фильтрации напряжения, причем не только в автомобильной и про- мышленной технике, но и в телекоммуникации, сетевом оборудова- нии и других областях. К их неоспоримым преимуществам относится компактный размер (особенно в серии FT) и устойчивость к высоким температурам (максимум 2000–5000 ч работы при +105 °C). Другим примером компонентов Panasonic Industry, предназначен- ных для создания надежных и компактных электронных схем, служат прецизионные резисторы SMD. Эти элементы в стандартных корпу- сах 0603 и 0805 изготавливаются с допуском 0,1%. Максимальная мощность таких резисторов составляет 100 или 125 мВт, а макси- мальное напряжение — 150 и 200 В. В каталоге TME представлен пол- ный спектр этих компонентов, готовых к отгрузке непосредственно со складов компании. Предложение пассивных компонентов Panasonic Industry до- полняется набором индуктивных элементов — высоконадежных продуктов, адаптированных для работы в самых тяжелых условиях и предусмотренных для эксплуатации в современных контроллерах двигателей автомобилей. В компактном низкопрофильном корпусе находятся компоненты с индуктивностью 0,68–33 мкГн (с макси- мальным током проводимости до 16,6 А). Такие параметры делают Panasonic отличным выбором для создания DC/DC-преобразователей, особенно цепей, предназначенных для электронных блоков управ- ления (ЭБУ) в автомобильной промышленности, а также приво- дов на основе бесщеточных двигателей. n Реклама КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2021 www.kite.ru
20 компоненты фильтры Фильтры электромагнитных помех компании Cosel: японское качество и надежность, проверенные временем. Часть 2. Предложения компании Владимир Рентюк От блоков питания и преобразователей напряжения требуются не только [email protected] высокие электрические показатели, но и соответствующие характеристики электромагнитной совместимости (ЭМС), заданные стандартами и требо- Алексей Лосев ваниями конечных приложений. Соответственно, все типы преобразовате- [email protected] лей AC/DC, DC/DC, AC/AC и DC/AC нуждаются в специальных фильтрах электромагнитных помех (ЭМП). В первой части статьи [1] было рассмо- трено, зачем нужны фильтры ЭМП и почему их лучше купить, а не делать самим. Вторая часть публикации знакомит читателей с сериями филь- тров ЭМП для самого широкого спектра приложений, которые предлагает основанная еще в далеком 1969 году японская компания Cosel. Данные фильтры, учитывая их высокие характеристики и широкую номенклатуру, имеют хорошие перспективы на российском рынке. Продукция компании Cosel, интере- таны для оптимального подавления синфаз- и внешний вид фильтров серии NB приведе- сующая нас в рамках данной статьи, ных, дифференциальных и импульсных по- ны на рис. 2. представлена одно- и трехфазными мех. Они имеют разные рабочие напряжения фильтрами ЭМП, имеющими одноступенча- и токи, уровни подавления помех, токи утеч- Фильтры серий EA и ES тую и двухступенчатую структуру. Фильтры ки и конструктивное исполнение. Широкий Габаритные размеры фильтров серии E представлены разными сериями и разрабо- выбор фильтров предназначен для обшир- ного спектра их возможных применений. 393085 мм, вес 170 г (max). Схемы и внеш- Таблица 1. Доступные варианты исполнения ний вид фильтров серий EA и ES приведены фильтров серии NAC Однофазные фильтры на рис. 3. Код Ток утечки Номинальная емкость Все фильтры рассчитаны на работу с одно- Фильтры для подавления конденсатора (125/250 В, 60 Гц) Y-конденсатора, пФ фазным напряжением 250 В AC и 250 В DC. кондуктивных ЭМП Фильтры предусматривают подключение в оборудовании фильтра по типу Push-down («вставил и нажал») общего применения с фиксацией отверткой и имеют вариант ис- 681 75,5 мкА/150 мкА (max) 680 полнения для монтажа на DIN-рейку (испол- Устанавливаются в устройствах с импульс- нение с суффиксом D). Далее представлены ными источниками питания, однофазными 102 0,13 мА/0,25 мА (max) 1000 общие особенности конструктивного и схе- инверторами, в роботизированных системах мотехнического исполнения, а также раз- с сервоприводами. 222 0,25 мА/0,5 мА (max) 2200 деление фильтров по сериям в зависимости от применения и индивидуальных характе- Серия NAC 332 0,38 мА/0,75мА (max) 3300 ристик. Это серия одноступенчатых фильтров 472 0,5 мА/1 мА (max) 4700 Фильтры серии NA ЭМП широкого применения, обеспечиваю- Габаритные размеры фильтров серии NA щих высокий уровень подавления синфаз- Таблица 2. Доступные варианты исполнения ных ЭМП в диапазоне частот 150 кГц – 1 МГц. фильтров серии NAH 534192 мм, вес 300 г (max). Схемы и внеш- В серии NAC доступны фильтры с рабочи- ний вид фильтров серии NA приведены ми токами 4, 6, 10, 16, 20 и 30 А при макси- Код Ток утечки Номинальная емкость на рис. 1. мальном падении напряжения на фильтре, конденсатора (125/250 В, 60 Гц) Y-конденсатора, пФ равном 1 В. Токи утечки и амплитудно-час- Фильтры серии NB тотная характеристика фильтров зависят фильтра Габаритные размеры фильтров серии NB от номиналов Y‑конденсаторов. Варианты исполнения фильтров серии NAC представ- 000 5 мкА/10 мкА (max) – 5343104 мм, вес 320 г (max). Схемы лены в таблице 1. 101 12,5 мкА/25 мкА (max) 100 221 25 мкА/50 мкА (max) 220 331 37,5 мкА/75 мкА (max) 330 471 50 мкА/100 мкА (max) 470 681 75,5 мкА/150 мкА (max) 680 102 0,13 мА/0,25 мА (max) 1000 222 0,25 мА/0,5 мА (max) 2200 332 0,38 мА/0,75 мА (max) 3300 472 0,5 мА / 1 мА (max) 4700 КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2021
фильтры компоненты 21 Рис. 1. Примеры конструктивного исполнения и схемы электрические принципиальные Рис. 2. Примеры конструктивного исполнения и схемы электрические принципиальные одноступенчатых фильтров ЭМП серии NA одноступенчатых фильтров ЭМП серии NB Серия NAH утечки и амплитудно-частотная характе- применения, предназначенная для подавле- Это серия одноступенчатых фильтров ристика фильтров зависят от номиналов ния синфазных ЭМП в диапазоне частот Y‑конденсаторов. Варианты исполнения 150 кГц – 1 МГц. В серии EAC доступны ЭМП широкого применения. Основное от- фильтров серии NAH представлены в таб- фильтры с рабочими токами 3, 6, 10, 16, личие от предыдущей серии NAC — пода- лице 2. 20 и 30 А и максимальным сопротивле- вление синфазных ЭМП в диапазоне низ- нием по постоянному току 180, 110, 40, 20, ких частот 10 кГц – 1 МГц. В серии NAH Серия EAC 10 и 6 мОм соответственно. Токи утечки и ам- доступны фильтры с рабочими токами 6, Серия более компактных, чем NAC, одно- плитудно-частотная характеристика филь- 10, 16, 20 и 30 А при максимальном падении тров зависят от номиналов Y‑конденсаторов. напряжения на фильтре, равном 1 В. Токи ступенчатых фильтров ЭМП широкого Рис. 3. Примеры конструктивного исполнения и схемы электрические принципиальные фильтров ЭМП серий EA и ES www.kite.ru КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2021
22 компоненты фильтры Таблица 3. Доступные варианты исполнения Таблица 4. Доступные варианты исполнения Таблица 5. Доступные варианты исполнения фильтров серии EAC фильтров серии ESC фильтров серии NBC Код Ток утечки Номинальная Код Ток утечки Номинальная Код Ток утечки Номинальная конденсатора (125/250 В, 60 Гц) емкость конденсатора (125/250 В, 60 Гц) емкость конденсатора (125/250 В, 60 Гц) емкость фильтра 75,5 мкА/150 мкА (max) Y-конденсатора, пФ фильтра 75,5 мкА/150 мкА (max) Y-конденсатора, пФ фильтра 75,5 мкА/150 мкА (max) Y-конденсатора, пФ 0,13 мА/0,25 мА (max) 0,13 мА/0,25 мА (max) 0,13 мА/0,25 мА (max) 681 0,25 мА/0,5 мА (max) 680 681 0,25 мА/0,5 мА (max) 680 681 0,25 мА/0,5 мА (max) 680 102 0,38 мА/0,7 мА (max) 1000 102 0,38 мА/0,75 мА (max) 1000 102 0,38 мА/0,75 мА (max) 1000 222 2200 222 2200 222 2200 332 0,5 мА/1 мА (max) 3300 332 0,5 мА/1 мА (max) 3300 332 0,5 мА/1 мА (max) 3300 472 4700 472 4700 472 4700 Варианты исполнения фильтров серии EAC предназначены для медицинской аппарату- Таблица 6. Доступные варианты исполнения представлены в таблице 3. ры, но также используются и в случаях уста- фильтров серии NBH новки в устройстве нескольких импульсных Серия ESC источников питания. Номинальная Серия одноступенчатых фильтров ЭМП, емкость Серия NAM Y-конден- аналогичная предыдущей EAC-серии, с тем же Линейка одноступенчатых фильтров ЭМП диапазоном подавления синфазных ЭМП сатора, пФ 150 кГц – 1 МГц, но выполненная в корпусе широкого применения, отличающаяся малы- Код с возможностью безвинтового подключения. ми токами утечки и высоким уровнем подавле- конденсатора В серии ESC доступны фильтры с рабочими ния ЭМП в диапазоне частот 150 кГц – 1 МГц. фильтра токами 3, 6, 10 и 16 А и максимальным со- В случае если требуется работа при более Напряжение противлением по постоянному току 180, 110, низких частотах (от 10 кГц), рекомендует- изоляции 40 и 20 мОм соответственно. Токи утечки и ам- ся использовать серию NAH. В серии NAM терминал– плитудно-частотная характеристика филь- доступны фильтры с рабочими токами 4, 6, монтажная тров зависят от номиналов Y‑конденсаторов. 10, 16, 20 и 30 А при максимальном падении плита, В Варианты исполнения фильтров серии ESC напряжения на фильтре, равном 1 В. Токи Ток утечки представлены в таблице 4. утечки и амплитудно-частотная характе- (125/250 В, 60 Гц) ристика фильтров зависят от номиналов Серия NBC Y‑конденсаторов. Варианты исполнения CY1 CY2 4000 Линейка двухступенчатых фильтров ЭМП фильтров серии NAM показаны в таблице 7. 2500 000 5 мкА/10 мкА (max) – – широкого применения, обеспечивающих вы- Серия EAM 101 12,5 мкА/25 мкА (max) 100 – сокий уровень подавления ЭМП в диапазоне Серия одноступенчатых фильтров ЭМП 221 25 мкА/50 мкА (max) 220 – частот 150 кГц – 1 МГц. В серии NBC доступны 331 37,5 мкА/75 мкА (max) 330 – фильтры с рабочими токами 6, 10, 16, 20 и 30 А широкого применения с низкими токами и бо- 471 50 мкА/100 мкА (max) 470 – при максимальном падении напряжения лее компактными габаритами, чем серия NAM, 681 75,5 мкА/150 мкА (max) 680 – на фильтре, равном 1 В. Токи утечки и ам- но с аналогичным диапазоном частот 150 кГц – 102 0,13 мА/0,25 мА (max) 1000 – плитудно-частотная характеристика филь- 1 МГц. В серии ESM доступны фильтры с ра- 222 0,25 мА/0,5 мА (max) 2200 1000 тров зависят от номиналов Y‑конденсаторов. бочими токами 3, 6, 10, 16, 20 и 30 А при мак- 332 0,38 мА/0,75 мА (max) 3300 1000 Варианты исполнения фильтров серии NBC симальном сопротивлении по постоянному 472 0,5 мА/1 мА (max) 4700 1000 представлены в таблице 5. току 180, 110, 40, 20, 10 и 6 мОм соответственно. Токи утечки и амплитудно-частотная харак- Таблица 7. Доступные варианты исполнения Серия NBH теристика фильтров зависят от номиналов фильтров серии NAM Это серия двухступенчатых фильтров ЭМП Y‑конденсаторов. Варианты исполнения филь- тров серии ESM представлены в таблице 8. Код Ток утечки Номинальная широкого применения, предназначенная для конденсатора (125/250 В, 60 Гц) емкость подавления синфазных ЭМП в широком диа- Серия ESM пазоне частот 10 кГц – 10 МГц. В серии NBH Линейка одноступенчатых фильтров ЭМП, фильтра 5 мкА/10 мкА (max) Y-конденсатора, пФ доступны фильтры с рабочими токами 6, 10, 12,5 мкА/25 мкА (max) 16, 20 и 30 А при максимальном падении на- точно таких же, как и серия EAM с подавлени- 000 25 мкА/50 мкА (max) – пряжения на фильтре, равном 1 В. Токи утечки ем ЭМП в диапазоне частот 150 кГц – 1 МГц, 101 37,5 мкА/75 мкА (max) 100 и амплитудно-частотная характеристика филь- но выполненная в корпусе с возможностью 221 50 мкА/100 мкА (max) 220 тров зависят от номиналов Y‑конденсаторов. безвинтового подключения. В серии ESM 331 330 Выдерживаемое напряжение изоляции меж- доступны фильтры с рабочими токами 3, 6, 471 470 ду терминалами и монтажным основанием 10 и 16 А и максимальным сопротивлением 4000 В AC (код Y‑конденсатора от –000 до –471). по постоянному току 180, 110, 40 и 20 мОм Таблица 8. Доступные варианты исполнения Варианты исполнения фильтров серии NBH фильтров серии EAM указаны в таблице 6. Код Ток утечки Номинальная Фильтры для подавления конденсатора (125/250 В, 60 Гц) емкость кондуктивных ЭМП в медицинском оборудовании фильтра 5 мкА/10 мкА (max) Y-конденсатора, пФ 12,5 мкА/25 мкА (max) Главным отличием данных серий от пред- 000 25 мкА/50 мкА (max) – ставленных ранее фильтров для оборудова- 101 37,5 мкА/75 мкА (max) 100 ния общего применения являются низкие 221 50 мкА/100 мкА (max) 220 токи утечки. Данные фильтры в основном 331 330 471 470 соответственно. Токи утечки и амплитудно- частотная характеристика фильтров зависят от номиналов Y‑конденсаторов. Варианты исполнения фильтров серии ESM даны в та- блице 9. Таблица 9. Доступные варианты исполнения Таблица 10. Доступные варианты исполнения фильтров серии ESM фильтров серии NBM Код Ток утечки Номинальная Код Ток утечки Номинальная конденсатора (125/250 В, 60 Гц) емкость конденсатора (125/250 В, 60 Гц) емкость фильтра 5 мкА/10 мкА (max) Y-конденсатора, пФ фильтра 5 мкА/10 мкА (max) Y-конденсатора, пФ 12,5 мкА/25 мкА (max) 12,5 мкА/25 мкА (max) 000 25 мкА/50 мкА (max) – 000 25 мкА/50 мкА (max) – 101 37,5 мкА/75 мкА (max) 100 101 37,5 мкА/75 мкА (max) 100 221 50 мкА/100 мкА (max) 220 221 50 мкА/100 мкА (max) 220 331 330 331 330 471 470 471 470 КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2021
фильтры компоненты 23 Таблица 11. Доступные варианты исполнения Таблица 12. Доступные варианты исполнения Таблица 13. Доступные варианты исполнения фильтров серии NAP фильтров серии EAP фильтров серии ESP Код Ток утечки Номинальная Код Ток утечки Номинальная Код Ток утечки Номинальная конденсатора (125/250 В, 60 Гц) емкость конденсатора (125/250 В, 60 Гц) емкость конденсатора (125/250 В, 60 Гц) емкость фильтра 5 мкА/10 мкА (max) Y-конденсатора, пФ фильтра 5 мкА/10 мкА (max) Y-конденсатора, пФ фильтра 5 мкА/10 мкА (max) Y-конденсатора, пФ 12,5 мкА/25 мкА (max) 12,5 мкА/25 мкА (max) 12,5 мкА/25 мкА (max) 000 25 мкА/50 мкА (max) – 000 25 мкА/50 мкА (max) – 000 25 мкА/50 мкА (max) – 101 37,5 мкА/75 мкА (max) 100 101 37,5 мкА/75 мкА (max) 100 101 37,5 мкА/75 мкА (max) 100 221 50 мкА/100 мкА (max) 220 221 50 мкА/100 мкА (max) 220 221 50 мкА/100 мкА (max) 220 331 75,5 мкА/150 мкА (max) 330 331 75,5 мкА/150 мкА (max) 330 331 75,5 мкА/150 мкА (max) 330 471 0,13 мА/0,25 мА (max) 470 471 0,13 мА/0,25 мА (max) 470 471 0,13 мА/0,25 мА (max) 470 681 0,25 мА/0,5 мА (max) 680 681 0,25 мА/0,5 мА (max) 680 681 0,25 мА/0,5 мА (max) 680 102 0,38 мА/0,75 мА (max) 1000 102 0,38 мА/0,75 мА (max) 1000 102 0,38 мА/0,75 мА (max) 1000 222 2200 222 2200 222 2200 332 0,5 мА/1 мА (max) 3300 332 0,5 мА/1 мА (max) 3300 332 0,5 мА/1 мА (max) 3300 472 4700 472 4700 472 4700 Серия NBM Серия ESP Серия двухступенчатых фильтров ЭМП широкого применения, Это серия аналогичных EAP одноступенчатых фильтров ЭМП отличающихся малыми токами утечки, высоким уровнем изоляции с подавлением ЭМП в том же диапазоне частот 150 кГц – 1 МГц, и обеспечивающих высокий уровень подавления ЭМП в диапазоне ча- но выполненных в корпусе с возможностью безвинтового под- стот 150 кГц – 1 МГц. При необходимости работы с более высокими ча- ключения. В серии ESP доступны фильтры с рабочими токами 3, стотами следует рассматривать возможность применения серии NBH 6, 10 и 16 А и максимальным сопротивлением по постоянному с частотой до 10 МГц. В NBM-серии доступны фильтры с рабочими току 180, 110, 40 и 20 мОм соответственно. Токи утечки и ампли- токами 6, 10, 16, 20 и 30 А при максимальном падении напряжения тудно-частотная характеристика фильтров зависят от номиналов на фильтре, равном 1 В. Токи утечки и амплитудно-частотная характе- Y‑конденсаторов. Варианты исполнения фильтров серии ESP ото- ристика фильтров зависят от номиналов Y‑конденсаторов. Варианты бражены в таблице 13. исполнения фильтров серии NBM представлены в таблице 10. Трехфазные фильтры Фильтры для подавления коротких импульсов (могут использоваться с однофазным входом) высокого напряжения Применяются для подавления ЭМП в таких устройствах, как Серия NAP лифты, сварочные и лазерные станки, роботизированные устрой- Серия одноступенчатых фильтров ЭМП широкого применения, ства с инвертором или сервоприводом, медицинское оборудование. Рабочее напряжение трехфазных фильтров серии TAC обычного обеспечивающих высокий уровень подавления импульсных син- исполнения 500 В (максимально — 528 В) переменного тока (частота фазных ЭМП высокого напряжения и дифференциальных ЭМП 50/60 Гц), для фильтров с улучшенным подавлением дифференци- в диапазоне частот 150 кГц – 1 МГц. В серии NAP доступны фильтры альных ЭМП (с опциональным исполнением с суффиксом –U) рабо- с рабочими токами 4, 6, 10, 16, 20 и 30 А при максимальном падении чее напряжение 250 В AC (частота 50/60 Гц). напряжения на фильтре, равном 1 В. Токи утечки и амплитудно-ча- стотная характеристика фильтров зависят от номиналов Y‑конден- Низкопрофильные фильтры саторов. Варианты исполнения фильтров серии NAP представлены в таблице 11. Варианты фильтров с рабочими токами до 30 А предусматривают подключение по типу Push-down с фиксацией отверткой, а также Серия EAP имеют вариант исполнения для монтажа на DIN-рейку (опциональ- Серия более компактных, чем фильтры серии NAP, одноступен- ное исполнение с суффиксом –D). чатых фильтров ЭМП широкого применения, обеспечивающих Серия TAC высокий уровень подавления импульсных синфазных ЭМП высо- Серия одноступенчатых фильтров ЭМП широкого применения, кого напряжения и дифференциальных ЭМП в диапазоне частот 150 кГц – 1 МГц. В серии EAP доступны фильтры с рабочими токами обеспечивающих высокий уровень подавления синфазных ЭМП 3, 6, 10, 16, 20 и 30 А при максимальном сопротивлении по постоян- в диапазоне частот 150 кГц – 1 МГц. Серия делится на две группы: ному току 180, 110, 40, 20, 10 и 6 мОм соответственно. Токи утечки фильтры TAC с рабочими токами 4 и 6 А с падением напряжения и амплитудно-частотная характеристика фильтров зависят от номи- не более 1,5 В, токами 10, 16, 20 и 30 А с падением напряжения не бо- налов Y‑конденсаторов. Варианты исполнения фильтров серии EAP лее 1 В и фильтры TAC с рабочими токами 50, 60, 80, 100, 150, 200, показаны в таблице 12. Рис. 4. Примеры конструктивного исполнения фильтров ЭМП серии TAC www.kite.ru КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2021
24 компоненты фильтры а б Рис. 5. Примеры конструктивного исполнения фильтров ЭМП серии TAH: а) с максимальным рабочим током до 30 А; б) с током от 50 А Таблица 14. Доступные варианты исполнения фильтров серии TAC Таблица 15. Доступные варианты исполнения фильтров серии TAH Код конденсатора Ток утечки Номинальная емкость Вариант Код конденсатора Ток утечки Номинальная емкость Вариант фильтра (250/500 В, 60 Гц) Y-конденсатора, пФ Для токов 50–300 А фильтра (250/500 В, 60 Гц) Y-конденсатора, пФ Серия TAH (50–150) Для токов до 30 А Серия TAH (04–30) 103 1 мА/2,05 мА (max) 10 000 103 1 мА/2,05 мА (max) 10 000 223 2,5 мА/5 мА (max) 22 000 223 2,5 мА/ 5 мА (max) 22 000 333 3,5 мА/7 мА (max) 33 000 333 3,5 мА/ 7 мА (max) 33 000 683 2,5 мА/5 мА (max) 68 000 683 2,5 мА/ 5 мА (max) 68 000 250, 300 А, имеющие максимальное сопротивление по постоянно- рии TAC, но обеспечивающие в диапазоне частот 150 кГц – 1 МГц му току 7, 5, 5, 4, 3, 2, 1,5, 1 мОм соответственно. Указанные филь- более эффективное подавление синфазных ЭМП. Серия содержит тры имеют также различия в схемных и конструктивном решениях. модели с рабочими токами 6, 10, 20, 30, 40, 50 и 60 А с сопротивлением Внешний вид фильтров представлен на рис. 4. Фильтры TAC с тока- ми до 30 А имеют вариант исполнения на DIN-рейку (опция с суф- а фиксом –D), а с токами от 50 А — возможность работы от перемен- ного напряжения 250 В (опция с суффиксом –U). Токи утечки и амплитудно-частотная характеристика фильтров зависят от номиналов Y‑конденсаторов. Варианты исполнения филь- тров серии TAC приведены в таблице 14. Габаритные размеры и вес фильтров серии TAC: • TAC (с током до 30 А): 6364128 мм, вес 620 г (max); • TAC (с током 50, 60 А): 9054179 мм, вес 1,4 кг (max); • TAC (с током 80, 100 А): 14085267 мм, вес 3,8 кг (max); • TAC (с током 150 А): 17092285 мм, вес 4,8 кг (max); • TAC (с током 200, 250, 300 А): 190110360 мм, вес 8 кг (max). Серия TAH б Это такие же одноступенчатые фильтры ЭМП широкого приме- в нения, как и представленные выше в серии TAC, но обеспечиваю- щие подавление синфазных ЭМП на более низких частотах 10 кГц – Рис. 6. а) Внешний вид фильтров ЭМП серии JAC; 1 МГц. Серия содержит модели с рабочими токами 4 и 6 А с падением схемы электрические принципиальные: напряжения не более 1,5 В, 10, 16, 20 и 30 А с падением напряжения б) для фильтров исполнения 103, 223, 683 (в том числе –U); не более 1 В и модели с рабочими токами 50, 60, 80, 100 и 150 А, име- в) для фильтров исполнения 224, 155 (в том числе –U) ющие максимальное сопротивление по постоянному току 7, 5, 5, 4 и 3 мОм соответственно. Указанные фильтры имеют такие же ва- рианты исполнения (опции с суффиксом –D и –U), как и серия TAC. Внешний вид фильтров представлен на рис. 5. Токи утечки и амплитудно-частотная характеристика фильтров зависят от номиналов Y‑конденсаторов. Варианты исполнения филь- тров серии TAH представлены в таблице 15. Габаритные размеры и вес фильтров серии TAH: • TAH (с током до 30 А): 6364128 мм, вес 620 г (max); • TAH (с током 50, 60 А): 9054179 мм, вес 1,4 кг (max); • TAH (с током 80, 100 А): 14085267 мм, вес 3,8 кг (max); • TAH (с током 150 А): 17092285 мм, вес 4,8 кг (max). Серия JAC Это новинка компании Cosel. Фильтры данной серии представля- ют собой компактные низкопрофильные одноступенчатые филь- тры ЭМП широкого применения, как и представленные выше в се- КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2021
фильтры компоненты 25 Таблица 16. Доступные варианты исполнения фильтров серии JAC Код конденсатора Ток утечки Номинальная емкость фильтра (250/500 В, 60 Гц) Y-конденсатора, пФ 103 1 мА/2,05 мА (max) 10 000 223 2,5 мА/5 мА (max) 22 000 683 2,5 мА/5 мА (max) 68 000 224 15 мА/24 мА (max) 220 000 155 80 мА/125 мА (max) 1,5 мкФ 100, 45, 15, 8, 7, 5 и 3,5 мОм. Указанные фильтры имеют такие же ва- рианты исполнения (опции с суффиксом –D и –U), как и серия TAC. Внешний вид фильтров и схемы электрические принципиальные представлены на рис. 6. Токи утечки и амплитудно-частотная характеристика фильтров зависят от номиналов Y‑конденсаторов. Варианты исполнения филь- тров серии JAC указаны в таблице 16. Серия TBC Рис. 7. Примеры конструктивного исполнения и схема электрическая принципиальная Двухступенчатые фильтры ЭМП широкого применения, обеспе- фильтров ЭМП серии TBC чивающие высокий уровень подавления синфазных ЭМП в диа- Серия FTA пазоне частот 150 кГц – 1 МГц. Серия TBC представлена фильтрами Трехфазные 500‑В одноступенчатые фильтры ЭМП с высоким ос- с рабочими токами 50, 60, 80, 100, 150, 200, 250 и 300 А и максималь- ным сопротивлением по постоянному току 14, 10, 10, 8, 6, 4, 3 и 2 мОм лаблением синфазных помех в полосе частот 150 кГц – 1 МГц. Серия соответственно. Внешний вид фильтров серии TBC и их схема элек- включает в себя модели с рабочими токами 40, 50 и 60 А с сопротивле- трическая принципиальная представлены на рис. 7. ниями 8,5, 6 и 4 мОм и модели с рабочими токами 80, 100, 125 и 150 А, имеющие максимальное сопротивление по постоянному току 5, 4, 3 Токи утечки и амплитудно-частотная характеристика фильтров и 3 мОм соответственно. Внешний вид фильтров ЭМП серии FTA и их зависят от номиналов Y‑конденсаторов. Доступные варианты испол- схема электрическая принципиальная представлены на рис. 9, 10. нения фильтров серии TBC показаны в таблице 17. Таблица 17. Доступные варианты исполнения фильтров серии TBC Код конденсатора Ток утечки Номинальная емкость фильтра (250/500 В, 60 Гц) Y-конденсатора, пФ 223 2,5 мА/5 мА (max) 22 000 683 2,5 мА/5 мА (max) 68 000 104 3,5 мА/7 мА (max) 100 000 Габаритные размеры и вес фильтров серии TBC: Рис. 8. Примеры конструктивного исполнения и схема электрическая принципиальная • TBC (с токами 50 и 60 А): 14080374 мм, вес 4,5 кг (max); фильтров ЭМП серии TSC • TBC (с токами 80, 100 А): 15092456 мм, вес 7,7 кг (max); • TBC (с током 150 А): 19092482 мм, вес 9,6 кг (max); • TBC (с токами 200, 250 и 300 А): 190110580 мм, вес 13 кг (max). Стандартные трехфазные фильтры ЭМП с установкой на поверхность для промышленного оборудования с мощными инверторами и электродвигателями Серия TSC Серия многоступенчатых фильтров ЭМП широкого применения, обеспечивающих работу с высокими токами 400 и 600 А (макси- мальным сопротивлением по постоянному току 0,27 и 0,2 мОм соответственно) для соединения «звездой» с нейтральным заземле- нием. Входные и выходные терминалы подключения фильтра TSC выполнены в виде шины. Внешний вид фильтров ЭМП серии TSC и их схема электрическая принципиальная представлены на рис. 8. Токи утечки и амплитудно-частотная характеристика фильтров ЭМП серии TSC зависят от номиналов Y‑конденсаторов. На текущий момент доступен только один вариант исполнения фильтра серии TSC с Y‑конденсаторами номиналом 2,2 мкФ (код 665), имеющий ти- повой ток 20 и максимальный 40 мА. При необходимости установки фильтра этого типа с более низким током утечки или с более высо- ким затуханием устройство может быть поставлено по специальному заказу. Для этого необходимо связаться с локальным представителем компании Cosel. КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2021 www.kite.ru
26 компоненты фильтры Рис. 9. Пример конструктивного исполнения и схемы электрические принципиальные Рис. 10. Примеры конструктивного исполнения и схемы электрические принципиальные фильтров ЭМП серии FTA с максимальным рабочим током до 60 А фильтров ЭМП серии FTA с максимальным рабочим током 80–150 А Таблица 18. Доступные варианты исполнения фильтров серии FTA Для фильтров с рабочими токами до 60 А опционно доступны сле- дующие варианты исполнения фильтров: Код конденсатора Ток утечки Номинальная емкость Вариант • H: сверхвысокое подавление ЭМП (кроме исполнения 335); фильтра (250/500 В, 60 Гц)* Y-конденсатора, пФ • U: улучшение подавления дифференциальных ЭМП (номинальное FTA (40, 50 и 60 А) 223 2,5 мА/5 мА (max) 22 000 FTA (80, 100, 125 и 150 А) напряжение 250 В); 683 2,5 мА/5 мА (max) 68 000 FTA (80, 100, 125 и 150 А) • G: только для варианта 335 для заказчиков из ЕС. Тип «звезда» 104 3,5 мА/7 мА (max) 100 000 FTA (40, 50 и 60 А) 155 160 мА/250 мА (max) 1,5 мкФ FTA (80, 100, 125 и 150 А) с системой заземления нейтрали, с переключением линии на за- земляющий конденсатор для сверхвысокого подавления ЭМП. 335 320 мА/500 мА (max) 3,3 мкФ Для фильтров с рабочими токами до 150 А опционно доступны следующие варианты исполнения фильтров: Примечания. *Для фильтров с рабочими токами до 60 А вариант 355 ток утечки • H: сверхвысокое подавление ЭМП (кроме исполнения 155 и 335); задается для 250/400 В 60 Гц, для фильтров с рабочими токами 80, 100, 125 и 150 А, • U: улучшенное подавление дифференциальных ЭМП (номиналь- варианты 155 и 355 ток утечки задается для 250/400 В 60 Гц. ное напряжение 250 В); Для фильтров FTA (с токами 40, 50 и 60 А) • G: только варианты 155 и 335 для заказчиков из ЕС. Тип «звезда» ток утечки не более 160 мА/250 мА, с системой заземления нейтрали, с переключением линии на зазем- когда переключатель находится в состоянии ВКЛ (переключено на «I»), ляющий конденсатор. Выбираемое значение тока утечки и сверх- и 10 мкА/16 мкА макс, высокого подавления ЭМП; когда переключатель находится в положении ВЫКЛ (переключено на «O»). • S: только для исполнения FTA‑80…FTA‑150 — винт с шестигран- Для фильтров FTA (с токами 80, 100, 125 и 150 А): ной головкой под ключ. • исполнение «155»: Токи утечки и амплитудно-частотная характеристика фильтров зависят от номиналов Y‑конденсаторов. Доступные варианты испол- ток утечки 160 мА/250 мА (max), когда переключатель включен (положение «I»), нения фильтров серии FTA показаны в таблице 18. и 50 мкА/80 мкА (max), когда переключатель выключен (положение «O»); • исполнение «335»: ток утечки 320 мА/500 мА (max), когда переключатель включен (положение «I»), и 50 мкА/80 мкА (max), когда переключатель выключен (положение «O»). КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2021
фильтры компоненты 27 Рис. 11. Примеры конструктивного исполнения и схемы электрические принципиальные фильтров ЭМП серии FTB аб в г д Рис. 12. Примеры конструктивного исполнения: а) с током до 60 А; б) с током 80–150 А; схемы электрические принципиальные фильтров ЭМП серии FSB в зависимости от токов (слева — для кодов исполнения 203, 693, 104, 324; справа для кода исполнения — 355): в) 10–30 А; г) 40–60 А; д) 80–150 А КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2021 www.kite.ru
28 компоненты фильтры Таблица 20. Доступные варианты исполнения фильтров серии FSB Код Ток утечки1 Номинальная емкость конденсатора, мкФ конденсатора Верхний ряд: соединение треугольником фильтра Нижний ряд: соединение звездой CY1 CY2 203 1 мА/2 мА (max) 0,01 0,01 0,1 мА/0,2 мА (max) 0,01 0,047 0,022 0,047 5732 2,5 мА (max)/не применимо 0,033 0,068 0,35 мА (max)/не применимо 0,033 0,22 0,1 0,22 693 2,5 мА/5 мА (max) 0,033 3,3 0,35 мА/0,7 мА (max) 0,22 3,3 0,22 3,3 104 3,5 мА/7 мА (max) 0,5 мА/1 мА (max) 2542 12 мА (max)/не применимо 1,5 мА (max)/не применимо 324 12 мА/24 мА (max) 1,5 мА/3 мА (max) 3352 160 мА (max)/не применимо 20 мА (max)/не применимо 355 180 мА/270 мА (max) 25 мА/50 мА (max) 3553 330 мА/515 мА (max) 40 мА/80 мА (max) Рис. 13. Примеры конструктивного исполнения и схема электрическая принципиальная Примечания. фильтров ЭМП серии SNR 1. Входное напряжение 250/500 В, 60 Гц; 250/400 В, 60 Гц для соединения треугольником для исполнения 355. 2. Применяется только для фильтров типа U. 3. Характеристики фильтра с токами 80, 100 и 150 А. Габаритные размеры и вес фильтров серии FTA (для исполнения устойчивостью к насыщению. Клеммная колодка нажимного типа –G ширина фильтра за счет выключателя увеличивается на 4,5 мм): по типу Push-down с фиксацией отверткой, конструкция предотвра- • FTA (с токами 40, 50 и 60 А): 6584153 мм, вес 1,2 кг (max); щает выпадение винта и потерю крышки. Серия включает модели • FTA (с токами 80, 100, 125 А): 100130210 мм, вес 3,1 кг (max); с рабочими токами 10, 20, 30, 40, 50, 60, 80, 100 и 150 А, имеющие макси- • FTA (с током 150 А): 100170260 мм, вес 4,2 кг (max). мальное сопротивление по постоянному току 100, 38, 20, 17, 14, 10, 10,8 и 6 мОм соответственно. Внешний вид фильтров ЭМП серии FSB и их Серия FTB схемы электрические принципиальные представлены на рис. 12. Трехфазные 500-В двухступенчатые фильтры ЭМП с высоким ос- Для фильтров ЭМП серии FSB опционно доступны следующие лаблением синфазных помех в полосе частот 150 кГц – 1 МГц. Серия варианты исполнения: включает модели с рабочими токами 80, 100 и 150 А, имеющие мак- • H: вариант фильтра со сверхвысоким затуханием ЭМП; симальное сопротивление по постоянному току 10, 8, и 6 мОм со- • U: вариант фильтра с улучшенным затуханием дифференциальных ответственно. Внешний вид фильтров ЭМП серии FTB и их схемы электрические принципиальные представлены на рис. 11. ЭМП (номинальное напряжение 250 В). Доступно только для ис- полнения 573, 254, 335. Для фильтров ЭМП серии FTB опционно доступны следующие Токи утечки и амплитудно-частотная характеристика фильтров варианты исполнения: зависят от номиналов Y‑конденсаторов. Доступные варианты испол- • H: сверхвысокое затухание (кроме исполнения 155 и 335); нения фильтров серии FSB представлены в таблице 20. • S: винт с шестигранной головкой под ключ; Габаритные размеры и вес фильтров серии FSB: • L: сверхвысокое подавление ЭМП, только вариант 335 для заказ- • FSB (с токами 10, 20 и 30 А): 66100240 мм, вес 1,8 кг (max); • FSB (с токами 40, 50 и 60 А): 90125290 мм, вес 3,3 кг (max); чиков из ЕС. Тип «звезда» с системой заземления нейтрали, с пере- • FSB (с токами 80 и 100 А): 100170350 мм, вес 6,3 кг (max); ключением линии на заземляющий конденсатор. • FSB (с током 150 А): 100210400 мм, вес 8,8 кг (max). Токи утечки и амплитудно-частотная характеристика фильтров зависят от номиналов Y‑конденсаторов. Доступные варианты испол- Фильтры ЭМП для напряжения постоянного тока нения фильтров серии FTB указаны в таблице 19. (для подавления пульсаций и помех в импульсных источниках питания) Таблица 19. Доступные варианты исполнения фильтров серии FTB Код конденсатора Ток утечки (250/500 В, 60 Гц) Номинальная емкость конденсатора, пФ Серия SNR фильтра (для 355 — 250/400 В 60 Гц) Серия SNR — специально разработанная компанией Cosel линей- CY1 CY2 223 1 мА/2 мА (max) ка 50‑В фильтров ЭМП для ослабления пульсаций и помех для им- 663 2,5 мА/5 мА (max) 10 000 10 000 пульсных источников питания (постоянного тока). Фильтры рас- 324 12 мА/24 мА (max) 33 000 33 000 считаны на номинальный рабочий ток 10 А (импульсный до 20 А). 335* 330 мА/515 мА (max) 220 000 100 000 Внешний вид фильтров ЭМП серии SNR и их схема электрическая 220 000 3,3 мкФ принципиальная представлены на рис. 13. Примечание. *Фильтр исполнения 335 доступен только в варианте 335-L. Для фильтров ЭМП серии SNR опционно доступны следующие варианты исполнения: Габаритные размеры и вес фильтров серии FTB: • D: установка на DIN-рейку; • FTB (с током 80 и 60 А): 100170350 мм, вес 5,3 кг (max); • T: клеммная колодка; • FTB (с током 150 А): 100210400 мм, вес 7,8 кг (max). • DT: клеммный блок и установка на DIN-рейку. Серия FSB Токи утечки и амплитудно-частотная характеристика фильтров Новинка компании Cosel. Фильтры этой серии представляют собой зависят от номиналов Y‑конденсаторов. Для фильтров серии SNR доступны варианты исполнения: 000 — без Y‑конденсатора и 223 — трехфазные 500‑В двухступенчатые фильтры ЭМП с повышенной с Y‑конденсатором номинальной емкостью 22 000 пФ. КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2021
фильтры компоненты 29 Дополнительная информация Физические характеристики среды эксплуатации фильтров компании Cosel Рабочая температура фильтров ЭМП компании Cosel составляет –40…+85 °C (для фильтров серий SNR и SNA –40…+71 °C) с деградацией от температуры. Соответствующие графики приведены в спецификациях. Допустимая влажность среды эксплуатации 20–95% (относительная, без конденсации). В части механической прочности фильтры рассчитаны на ви- брацию в диапазоне частот 10–55 Гц, с ускорением 19,6 м/с2 (2g), 3 мин по каждой оси (X, Y и Z), и выдерживают удары с ускорением 196,1 м/с2 (20g), длительность 11 мс, однократно по каждой оси (X, Y и Z). Сертификаты и гарантия Все фильтры ЭМП компании Cosel имеют необходимые сертификаты без- опасности и электромагнитной совместимости и соответствуют требованиям Директивы RoHS. На все фильтры ЭМП изготовитель предоставляет пяти- летнюю гарантию, а ряд фильтров рассчитан на десятилетний срок службы. Перечень стандартов и методики проверки фильтров ЭМП, используемые компанией Cosel, приведены в техническом документе [3]. Рис. 14. Примеры конструктивного исполнения и схема электрическая принципиальная Обозначение при заказе фильтров компании Cosel фильтров ЭМП серии SNA Обозначение для заказа фильтра ЭМП компании Cosel содержит полное наименование серии, номинальный рабочий ток, код Y‑конденсатора и суф- фикс конструктивного исполнения фильтра. Например, для заказа фильтра ЭМП серии NAH с рабочим током 10 А, Y‑конденсатором номинальной емко- стью 4700 пФ и для монтажа на DIN-рейку запись при заказе будет иметь вид: Габаритные размеры и вес фильтров серии SNR (для исполнения NAH‑10-472‑D –D, –T, –DT высота фильтра увеличивается на 9 мм) — 5535117 мм, вес 140 кг (max). Как уже было сказано в [1], при выборе фильтров ЭМП, а это касается не только фильтров компании Cosel, необходимо учитывать, что их ампли- На фильтры серии SNR предоставляется пятилетняя гарантия при тудно-частотные характеристики (АЧХ) согласно действующим стандартам ожидаемом сроке службы 10 лет. нормируются в системе 50 Ом. То есть источник испытательного сигнала и нагрузка фильтра являются резистивными с импедансом 50 Ом (подробно Серия SNA рассмотрено в [3]). Соответственно, в реальных условиях при их включении Серия SNA специально разработана компанией Cosel для филь- в состав конкретного приложения АЧХ фильтров могут различаться. тров ЭМП под напряжение ±50 В и ориентирована на ослабление на то, что в спецификациях, выложенных на японском и европей- пульсаций и помех в цепях двухполярного питания аналоговых схем, например, как фильтр источника питания для операционного ском сайтах компании, имеются различия. В случае затруднений об- усилителя. Фильтры рассчитаны на номинальный рабочий ток 1, 3 и 6 А. Внешний вид фильтров ЭМП серии SNA и их схема электри- ратитесь в службу технической поддержки компании Cosel или к ее ческая принципиальная представлены на рис. 14. местному авторизованному поставщику. Для фильтров ЭМП серии SNA опционно доступен вариант исполнения D — установка на DIN-рейку. Токи утечки и ампли- Выполнение требований по ЭМС — это проблема, от решения ко- тудно-частотная характеристика фильтров зависят от номиналов Y‑конденсаторов. Для фильтров серии SNA доступные варианты торой не уйти, и решать ее необходимо начиная с самых ранних ста- исполнения: 000 — без Y‑конденсатора, 223 — с Y‑конденсатором номинальной емкостью 22 000 пФ. дий проектирования. Отсутствие должного внимания к ее решению Габаритные размеры и вес фильтров серии SNR (для исполнения приводит к дополнительным, часто значительным затратам времени –D высота фильтра увеличивается на 9 мм) — 523593 мм, вес 130 кг (max). и средств на доработку, а то и переработку уже «готового» решения, На фильтры серии SNA предоставляется пятилетняя гарантия при которое проваливалось на сертификации [2]. Много ценной инфор- ожидаемом сроке службы 10 лет. мации по вопросам ЭМП и ЭМС, в том числе и практические приме- Заключение ры решения этой проблемы, доступны в сборниках [5–7]. n Рассмотренные серии фильтров ЭМП компании Cosel удовлет- воряют самые разнообразные потребности в промышленных и ме- Литература дицинских приложениях широкого ряда мощностей и вариантов применения. 1. Рентюк В., Штрапенин Г. Фильтры электромагнитных помех компании Cosel — японское качество и надежность, проверенные временем. Часть 1. Получить необходимую информацию по фильтрам ЭМП компа- Зачем нужны фильтры ЭМП и почему их лучше купить, а не делать са- нии Cosel, в том числе технические данные, характеристики затуха- мим // Компоненты и технологии. 2021. № 1. ния, реакции на импульс и потерь, электрические схемы и кривую снижения мощности, а также сведения о применении и эксплуатации 2. Рентюк В. Электромагнитная совместимость: проблема, от решения кото- фильтров ЭМП, о полном модельном ряде можно на сайте компании рой не уйти // Компоненты и технологии. 2017. № 7. Cosel по ссылке [4]. Вся указанная информация доступна для загруз- ки без каких-либо ограничений и регистрации. Обратите внимание 3. EMI Filter. Technical Notes. July 08, 2020. www.cosel.co.jp/en2018/data/pdf/technotes_nf.pdf#page=2 4. www.cosel.co.jp/en2018/products/sub06.html 5. Электромагнитная совместимость в электронике — 2018. Сборник. www.emc-e.ru/magazine/emc‑2018/ 6. Электромагнитная совместимость в электронике — 2019. Сборник. www.emc-e.ru/magazine/emc‑2019/ 7. Электромагнитная совместимость в электронике — 2020. Сборник. www.emc-e.ru/magazine/emc‑2020/ КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2021 www.kite.ru
30 на правах рекламы Микросхема измерительного операционного усилителя 1467УБ1У категории качества «ВП» ОАО «ИНТЕГРАЛ» — управляющей компанией хол- Таблица. Значения электрических параметров микросхемы при приемке и поставке динга «ИНТЕГРАЛ» — освоено серийное производство при UCC+ = 12 В (UCC– = 0), US+ = 12 В, RIN1 = RIN2 = 100, ROUT = 5 кОм (AV = 50), микросхемы 1467УБ1У измерительного операционного USENSE = (US+)–(US–) и TА = –60…+125 °C усилителя категории качества «ВП». Микросхема пред- назначена для применения в радиоэлектронной аппа- Параметр, единица измерения Обозна- Режим измерения min max ратуре, устойчивой к влиянию специальных внешних чение воздействующих факторов. Точность коэффициента усиления 1, % AV1 USENSE = 25–75 мВ –2 2 Микросхема изготавливается в металлокерамическом корпусе типа Точность коэффициента усиления 2, % AV2 USENSE = 25–75 мВ; US+ = 0 –4,5 4,5 Н02.8-1В. Напряжение смещения нуля 1, мВ UI01 USENSE = 25 мВ; US+ = 12 В –1,5 1,5 Напряжение смещения нуля 2, мВ UI02 USENSE = 5 мВ; US+ = 0 –2 2 Функциональным аналогом микросхемы 1467УБ1У является ми- Коэффициент ослабления синфазных CMRR кросхема MSK196KRH компании M. S.Kennedy Corp. (США). напряжений, дБ USENSE = 5 мВ; US+ = 3–36 В; UCC+ = 36 В 86 – Коэффициент влияния нестабильности PSRR Технические условия — АЕЯР.431000.257-06 ТУ. источника питания, дБ II USENSE = 5 мВ; US+ = 3 В; UCC+ = 3–36 В 80 – Микросхема измерительного операционного усилителя 1467УБ1У Входной ток, мкА IIO отслеживает величину тока, протекающего через выбранный по- Разность входных токов, мкА ICC USENSE = 0; US+ = 3 В; AV = 25 – 30 требителем внешний измерительный резистор. Падение напряжения Ток потребления, мкА USENSE = 0; US+ = 3 В; AV = 25 – 3,5 на внешнем измерительном резисторе создает разность напряжений Минимальное выходное UO MIN USENSE = 0; US+ = 3 В; UCC+ = 36 В – 500 на входах операционного усилителя, которая усиливается на выходе. напряжение, мВ Напряжение на выходе зависит от коэффициента усиления, устанав- Максимальное выходное напряжение UO MAX USENSE = 0; US+ = 36 В, UCC+ = 36 В – 50 ливаемого с помощью внешних резисторов (выход микросхемы — относительно питания, В токовый). USENSE = 120 мВ; AV = 100; ROUT = 10 кОм – 1,8 Коэффициент усиления ОУ определяется соотношени- ем номиналов выходного и входных резисторов по формуле из погрешности номинала резистора и точности коэффициента уси- AV = ROUT/RIN. Коэффициент усиления может быть выбран в диа- ления прибора. пазоне 1–100. Общая ошибка измерительной системы будет зави- сеть от точности резисторов, выбранных для применения. Установка Конструктивно-схемотехнической особенностью ОУ является на- RIN1 = RIN2 обеспечивает наилучшую точность для всего входного личие двух выходных каскадов, вступающих в работу в зависимости диапазона напряжений. Суммарная ошибка системы складывается от величины входного напряжения. Упрощенная схема микросхемы изображена на рисунке. Наличие двух выходных каскадов позволя- Рисунок. Типовая схема включения микросхемы 1467УБ1У (рекомендуется ет расширить диапазон входных напряжений до 0–36 В. На выходе устанавливать керамический конденсатор 0,1 мкФ между выводами V+ и V–) микросхемы всегда вытекающий ток. Микросхема автоматически определяет уровень входного напряже- ния (больше или меньше 1,6 В) и включает необходимый выходной каскад. При высоком входном напряжении (более 1,6 В) ток, проте- кающий от источника к нагрузке, создает на резисторе RSENSE паде- ние напряжения USENSE, которое прикладывается к резистору RIN2. Усилитель А2 за счет работы обратной связи через транзистор Q1 выравнивает потенциалы на входах IN– и IN+. Таким образом, ток, протекающий через резистор RIN2, равен USENSE/RIN2 и через транзи- стор Q1 поступает на резистор ROUT, создавая выходное напряжение UOUT. При данном значении входного напряжения усилитель А1 вы- ключен. Ток с резистора RIN2 протекает через резистор ROUT и создает выходное напряжение UOUT = USENSEROUT/RIN2, устанавливая коэф- фициент усиления AV = UOUT/USENSE = ROUT/RIN2. При высоком входном напряжении (менее 1,6 В) ток, протека- ющий от источника к нагрузке, создает на резисторе RSENSE паде- ние напряжения USENSE, которое прикладывается к резистору RIN1. Усилитель А1 за счет работы обратной связи через транзистор Q3 вы- равнивает потенциалы на входах IN– и IN+. Таким образом, ток кол- лектора транзистора Q3 протекает через выход IN– на резистор RIN1. Транзистор Q2 повторяет данный ток значением USENSE/RIN1 и пере- дает его на резистор ROUT, создавая выходное напряжение UOUT. При данном значении входного напряжения усилитель А2 выключен. КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2021
на правах рекламы 31 Данный ток значением USENSE/RIN1 протекает через резистор ROUT Заинтересованным в применении микросхемы 1467УБ1У пред- и создает выходное напряжение UOUT = USENSEROUT/RIN1, устанавли- вая коэффициент усиления AV = UOUT/USENSE = ROUT/RIN1. приятиям предоставляются образцы микросхемы для проведения ее Полоса пропускания микросхемы 1467УБ1У составляет 100 кГц. апробирования. n Микросхема 1467УБ1У имеет стойкость к воздействию специ- альных факторов 7.И, 7.С и 7.К по ГОСТ РВ 20.39.414.2 с характе- ОАО «ИНТЕГРАЛ» — ристиками 7.И1 — 3Ус; 7.И6 — 0,21Ус; 7.И7 — 3Ус; 7.С1 — 103Ус; управляющая компания холдинга «ИНТЕГРАЛ» 7.С4 — 0,21Ус; 7.К1 — 0,71К; 7.К4 — 0,041К, 7.К9 (7.К10) — являет- ся стойкой, 7.К11 (7.К12) — не менее 60 МэВ·см2/мг по катастрофиче- г. Минск, Республика Беларусь ским отказам и тиристорному эффекту. E‑mail: [email protected] Тел.: (+375 17) 298–97–43 Микросхема 1467УБ1У включена в Перечень ЭКБ 02. Факс: (+375 17) 398–72–03 Сайт: integral.by новости блоки питания Двунаправленный источник питания серии EA-PSB 9000 3U от ELEKTRO-AUTOMATIK Компания ELEKTRO-AUTOMATIK представляет двунаправленный источник питания серии EA-PSB 9000 3U, который объединяет два устройства в одном: лабораторный источник питания и электронную нагрузку с рекуперацией энергии. Параметры автодиапазонного источника питания и электронной на- грузки легко устанавливать и контролировать. В зависимости от требований потребителя ток, внутреннее сопротивление и мощность задаются раздельно как для лабораторного источника, так и для нагрузки через сенсорный интер- фейс устройства или внешние интерфейсы. Серия EA-PSB 9000 3U сочетает преимущества обоих типов устройств и ликвидирует недостатки отдельных блоков касательно веса, требования по месту размещения оборудования, стоимости и необходимости внедрения стороннего ПО. Данные устройства особо рекомендуются производителем для использования в тестировании аккумуляторов. www.elim.ru Реклама КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2021 www.kite.ru
32 компоненты беспроводная передача энергии Потери переменного тока в катушках систем беспроводной передачи энергии Кристоф Утчик (Christoph Utschick) Системы беспроводной передачи энергии (БПЭ), основанные на индукции Кристиан Мерц (Christian Merz) магнитного поля в ближней зоне, обычно работают в диапазоне частот Кем Сом (Cem Som) нескольких сотен килогерц. Хотя большинство имеющихся в продаже Перевод: передающих катушек изготовлено из высокочастотного гибкого много- Владимир Рентюк жильного провода для подавления скин-эффекта и влияния близости соседнего провода, потери мощности в условиях переменного тока ока- зываются значительно больше, чем потери в условиях постоянного тока. В процессе проектирования системы БПЭ важно знать и уметь оценивать потери мощности и возникающий в результате самонагрев передающих катушек в рабочих условиях. В статье продемонстрирован аналитический расчет потерь мощности и представлена новая установка для измерения самонагрева передающих катушек в условиях переменного тока с боль- шими амплитудами тока. С этой целью полученные данные сравниваются с результатами измерения в режиме малого тока и оценивается частотно- зависимое снижение номинального тока для широкого спектра катушек. Наконец, исследуется то, как выбор геометрии катушки и типа гибкого провода влияет на потери на переменном токе. Введение ваются друг с другом и т. д.). Результатом такого скручивания явля- ется выравнивание длины каждой жилы, находящейся во внешней В последние годы системы беспроводной передачи энергии части литцендрата, по всей его длине. Это приводит к более равно- (Wireless power transfer, WPT, далее — системы БПЭ) с классами мощ- мерному распределению тока по жилам литцендрата и снижению ности от нескольких милливатт до нескольких киловатт были успеш- сопротивления. Катушки индуктивности, выполненные из лит- но реализованы во целом ряде приложений в области медицинской, цендрата, обладают более высокой добротностью и меньшими по- промышленной и бытовой электроники [1–3]. Технология БПЭ уже терями на нагрев. Во второй части мы продемонстрируем анали- зарекомендовала себя как зрелая альтернатива традиционной пере- тический расчет потерь для двух примеров стандартных катушек даче энергии на основе проводимости, с эффективностью (КПД) и сравним результаты с результатами измерений в режиме малого намного выше 90% [4]. Однако при разработке системы БПЭ, чтобы тока. В третьей части будет представлена новая установка для из- достичь такого уровня КПД, инженеры сталкиваются с проблемой мерения потерь мощности в условиях переменного тока и больших выбора подходящих передающих и приемных катушек, а при необ- токов на разных частотах. В заключение мы обсудим результаты ходимости и конструкции системы их охлаждения. Следовательно, измерений некоторых передающих катушек для систем БПЭ, пред- чтобы предотвратить перегрев катушек и задержку выхода конеч- лагаемых компанией Würth Elektronik, и в конце сделаем соответ- ного устройства на рынок, потери в рабочих условиях должны быть ствующие выводы. оценены и известны уже на ранней стадии разработки катушек. Хотя большинство производителей катушек обеспечивают измерения Основные механизмы только на номинальном токе в условиях постоянного тока, в этой возникновения потерь и влияние на них статье мы представляем метод определения характеристик частотно- типа многожильного провода зависимого снижения номинального тока. Потери переменного тока в передающей катушке системы БПЭ, Статья условно разделена на три части. В первой части представ- состоящей из плоской медной обмотки на магнитопроводе, вызваны лен всесторонний обзор механизмов потерь переменного тока в ка- омическими потерями в обмотке и магнитными потерями в ферри- тушках БПЭ и рассмотрено влияние на них многожильного про- товом сердечнике. Поскольку в приложениях БПЭ форма тока обыч- вода типа литцендрат. Это специальный многожильный провод, но синусоидальная, то магнитные потери в сердечнике на единицу каждая жила которого покрыта изолирующим лаком. Такой провод объема можно рассчитать с помощью уравнения Штейнмеца — ино- был разработан довольно давно и применяется для изготовления гда ошибочно называют как уравнение Стейнмеца, названо в честь катушек индуктивности высокой добротности в радиоприемниках, знаменитого немецкого ученого, инженера и педагога Карла Августа для обмоток электрических машин, аппаратов и приборов перемен- Штейнмеца (нем. Carl August Rudolph Steinmetz [17]) [5]: ного тока высокой частоты. Жилы литцендрата могут быть скру- чены между собой в соответствии с заданным шаблоном и иметь Pcore = Cm f aB b, (1) несколько уровней скручивания (группы скрученных жил скручи- КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2021
беспроводная передача энергии компоненты 33 Потери близости на длину провода катушки также рассчитывают- ся по формуле, приведенной в [7]: Pprox = (1/σ)H 2 D, (3) ext а где σ — это проводимость провода; Hext = Bext/μ0 — пиковая ампли- туда напряженности магнитного поля, проникающего в провод; б D — фактор близости, зависящий от частоты. Рис. 1. Результаты аналитических расчетов: а) скин-фактор; Частотная зависимость омических потерь, вызванная скин- б) фактор близости для сплошного провода, идеального и реального литцендрата эффектом и эффектом близости, может быть сильно подавлена одного того же сечения по меди с помощью высокочастотного гибкого провода — литцендрата. Идеальный литцендрат характеризуется однородной плотностью где f — частота; B — пиковая амплитуда магнитного поля в сердеч- тока по всему сечению и снижает количество вихревых токов, инду- нике; Cm, α, β — параметры Штейнмеца. Параметры Штейнмеца цируемых внешним магнитным полем. Однако из-за взаимодействия для конкретного материала могут быть получены из измерений отдельных изолированных жил в нем появляются дополнительные потерь, которые обычно предоставляются производителями фер- потери, вызванные эффектом внутренней близости [8, 9]. рита. Потери мощности ферритов обычно находятся в диапазоне нескольких сотен киловатт на 1 м3 при f = 100 кГц и B = 100 мТл, а ти- С помощью уравнений, приведенных в [7], частотно-зависимые пичные значения для частотной и полевой зависимости составляют характеристики — скин-фактор и фактор близости, F и D — могут 1,1 < α < 1,9 и 1,6 < β < 3 [6]. Из-за скин-эффекта1 омические поте- быть вычислены аналитически для любой конфигурации прово- ри в медной обмотке становятся частотно-зависимыми. В то время дов, и таким образом удается сравнить потери в разных проводах. как в условиях постоянного тока ток равномерно распределяется Отметим, что поведение серийно выпускаемых проводов на перемен- по поперечному сечению меди, в условиях переменного тока вну- ном токе отличается от поведения идеальных многожильных прово- тренняя часть проводника защищена от электромагнитных полей дов. В зависимости от качества и структуры литцендрата (количество и ток перемещается на поверхность. Эффективно используемое мед- жгутов, наличие внутренних контактов, длина шага, наличие обо- ное поперечное сечение проводника уменьшается и, следователь- рванных жил) поведение реального литцендрата находится между но, RAC > RDC. Кроме того, по сравнению с условиями постоянного расчетным для идеального литцендрата и потерями для сплошного тока на переменном токе имеет место дополнительный механизм медного провода [10]. С помощью модели, представленной в [7], потерь. Он связан с тем, что изменяющееся во времени магнитное поведение реальных гибких проводов можно описать двумя параме- поле, создаваемое самой катушкой, проникает через медную обмотку трами качества λs и λp. Для сравнения построим графики F и D иде- и генерирует вихревые токи. В дальнейшем общие омические потери ального и реального литцендрата, состоящего из 1000 жил диаметром делятся на потери, которые зависят от величины тока, протекающего rs = 30 мкм, а также рассмотрим случай сплошного (одножильного) через катушку (электрические потери на переменном токе иногда провода с одинаковым поперечным сечением меди. Результаты срав- по аналогии с англ. терминологией transport loss называются «транс- нения приведены на рис. 1. Для анализа использовался литцендрат, портные потери»), и потери, которые зависят от величины магнит- состоящий из 1000 жил радиусом rs = 30 мкм. Параметры качества ного поля, проникающего через обмотку (потери из-за эффекта бли- реального литцендрата: λs = 0,5 и λp = 0,95. зости, от англ. proximity loss и proximity effect — эффект влияния соседних проводов). В предлагаемой статье для большей ясности Аналитический расчет потерь мощности сохранена терминология оригинала. Теперь займемся расчетом потерь мощности на примере двух В обозначениях и терминах, введенных в [7], транспортные потери стандартных передающих катушек для систем БПЭ из портфолио в катушке имеют вид: компании Würth Elektronik. Обе катушки представляют собой кру- глые плоские катушки. Первая катушка, номер по каталогу компании Ptrans = I 2 RDC F, (2) 760308101214 [18], имеет однослойную обмотку с 39 витками, выпол- rms ненную трифилярным проводом. Жилы провода не изолированы и не скручены, и каждая жила имеет диаметр 0,15 мм. Поскольку провода не свиты, то для расчета F и D такую обмотку можно рас- сматривать как выполненную из сплошного провода [7]. Вторая катушка, номер по каталогу компании 760308101103 [19], состоит из однослойной обмотки с 11 витками и выполнена из литцендра- та. Использованный здесь литцендрат имеет 24 жилы диаметром 0,08 мм. Внешний вид обеих катушек представлен на рис. 2. Поскольку для обоих типов проводов известны скин-факторы и коэффициенты близости, то расчет потерь мощности Ptrans и Pprox при заданном токе является довольно-таки простым делом. Для рас- чета потерь близости Pprox распределение магнитного поля в положе- ниях отдельных витков должно определяться с помощью модели- рования методом конечных элементов (численный метод решения дифференциальных уравнений с частными производными, а также интегральных уравнений, возникающих при решении задач при- кладной физики, широко используется для решения задач электро- динамики) или на основе аналитических расчетов, приведенных в [11]. Потери близости рассчитываются индивидуально для каждого где Irms — действующее значение переменного тока; RDC — сопро- 1 Поверхностный эффект, или скин-эффект, — это эффект уменьшения амплитуды электромагнитных волн тивление обмотки по постоянному току; F = RAC/RDC — скин-фактор, по мере их проникновения вглубь проводящей среды. В результате такого эффекта, например, переменный зависящий от частоты. ток высокой частоты при протекании по проводнику распределяется не равномерно по сечению, а преиму- щественно в поверхностном слое. КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2021 www.kite.ru
34 компоненты беспроводная передача энергии а б Рис. 3. Распределение магнитного поля катушки Würth Elektronik 760308101214 в положениях отдельных витков для токов Irms = 0,5 A и Irms = 1 A. в Виток № 1 — это первый внутренний виток, виток № 39 — это последний внешний виток Рис. 2. Внешний вид катушек компании Würth Elektronik Для расчета потерь в сердечнике необходимо определить рас- для системы беспроводной передачи энергии: пределение магнитного поля внутри сердечника и, используя урав- а) 760308101214; б) 760308101103; нение (1), интегрировать его по всему объему сердечника [12]. в) типы проводов, используемых для катушек систем БПЭ Для сравнения на рис. 4 показаны графики всех видов потерь в ка- тушке 760308101214 при токе Irms = 1 A. Для расчета Pcore использова- витка путем умножения уравнения (3) с учетом его длины, после чего лись параметры Штейнмеца для типичного феррита с малым уров- потери всех витков просто суммируются. нем потерь (Cm = 0,05, α = 1,75 и β = 2,9). На рис. 3 показано распределение магнитного поля в положениях Можно видеть, что в выбранном для анализа диапазоне частот по- отдельных витков катушки 760308101214 при токах, равных 0,5 и 1 А. тери, названные транспортными, постоянны. До частоты f = 1 МГц Магнитное поле линейно масштабируется с приложенным током, радиус провода меньше глубины скин-слоя, и, следовательно, скин- а оценка отношения B/Irms для каждого витка позволяет рассчитать эффект незначителен и потери близости незначительны, они начи- потери близости катушки для любого приложенного тока. нают оказывать влияние на общие потери уже на частотах f ≈ 50 кГц. Выше частоты f = 130 кГц потери близости уже превышают транс- портные и становятся преобладающими в суммарных общих поте- рях. Используя вместо обычного провода литцендрат, можно немно- го уменьшить потери близости, при этом общие потери на рабочей частоте в катушке будут, естественно, меньше. Однако по экономиче- Рис. 4. Сравнение потерь в катушке Würth Elektronik 760308101214 Рис. 5. Общие потери мощности, включая транспортные потери, потери близости при токе Irms = 1 A в зависимости от частоты и потери в сердечнике, в катушке Würth Elektronik 760308101103 при токе Irms = 3 A КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2021
беспроводная передача энергии компоненты 35 ским причинам дорогой литцендрат, как правило, применяется толь- Рис. 6. Экспериментальное измерение нормированного сопротивления ко в том случае, если система БПЭ работает на частотах, где радиус по переменному току в режиме слабого сигнала проволоки превышает толщину скин-слоя [13]. для катушек Würth Elektronik 760308101214 (черные точки) и 760308101103 (красные треугольники) до частот f = 1 МГц Потери в сердечнике рассматриваемой катушки на два порядка меньше потерь близости и, соответственно, в выбранном для ана- частотно-зависимые потери мощности при заданной амплитуде тока. лиза диапазоне частот не являются значительными. На частоте Эта потеря мощности может быть связана с эффективным сопротив- f = 100 кГц потери в сердечнике составляют всего 0,4% от общих по- лением переменного тока, как RAC,calc = Pcalc/I 2rms, которое включает терь в катушке. все источники потерь и должно быть действительным, независимо от амплитуды подаваемого тока. Для сравнения с измерением в режи- Расчеты потерь для второй катушки имеют аналогичные резуль- ме малых токов для обеих катушек 760308101214 и 760308101103 ком- таты. Поэтому мы не показываем для нее частотную зависимость пании Würth Elektronik построим нормированные сопротивления потерь. Тем не менее, поскольку катушка 760308101103 состоит RAC,meas/RDC (реальное значение) и RAC,calc/RDC (расчетное значение). из литцендрата, интересно сравнить характеристики различных ти- Результаты измерений приведены на рис. 6 и сравниваются с анали- пов проводов в этой катушке. На рис. 5 в виде графиков представлена тическими расчетами потерь (линии). сумма всех потерь для случаев идеального, реального литцендрата и сплошного провода. Потери мощности реального литцендрата Для катушки 760308101214, выполненной из сплошной проволоки, сравниваются со случаями идеального литцендрата и сплошного результат измерения хорошо согласуется с расчетом. Хотя в низко- медного провода. частотном диапазоне результаты измерения немного превышают расчетные и наоборот. Погрешность во всем частотном диапазоне Мы видим, что на рабочей частоте f = 125 кГц использование лит- составляет менее ±15%. цендрата по сравнению с одножильной проволокой снижает об- щие потери на 25%. На частоте f = 400 кГц потери сокращаются еще Для катушки 760308101103, сделанной из гибкого провода, из- больше — на 60%. Однако в литцендрате на более высоких частотах меренное сопротивление переменному току находится между рас- усиливается эффект внутренней близости, и общие потери подни- четами для одножильного провода и идеального литцендрата. Оба маются до уровня одножильного провода. При этом на достаточно предельных случая на рис. 6 изображены пунктирными линиями. высокой частоте общие потери в литцендрате могут даже превышать Фактическое поведение катушки может быть воспроизведено с от- потери сплошного провода (на рис. 5 этот случай не показан). личным согласованием с использованием реальной модели литцен- драта с параметрами качества проволоки λs = 0,5 и λp = 0,9 (красная Отметим еще один момент: диаметр проволоки рассматриваемой сплошная линия). Этим мы подтвердили, что аналитические расчеты катушки все еще относительно мал по сравнению с глубиной скин- потерь довольно-таки достоверно описывают поведение для пере- слоя. Кроме того, в катушке всего 11 витков, что приводит к неболь- менного тока при любой конфигурации проводов. шому индуцированному магнитному полю. Поэтому потери на бли- зость и в сердечнике, которые масштабируются с магнитным полем, Экспериментальное измерение самонагрева даже в случае сплошного провода для нее малы. Тем не менее ис- в условиях переменного тока пользование литцендрата дает заметное улучшение и экономически целесообразно. Вообще говоря, использование литцендрата в ка- Экспериментальный подход для характеристики поведения ка- тушках с большим количеством туго намотанных витков всегда дает тушек БПЭ на переменном токе в режиме большого сигнала при большие преимущества перед сплошной проволокой. Для катушек различных частотах и амплитудах тока заключается в измерении са- высокого класса мощности с большим поперечным сечением меди монагрева катушки. Блок-схема новой установки показана на рис. 7. влияние литцендрата значительно выше, и его использование стано- Синусоидальный сигнал генерируется генератором и усиливается вится уже просто обязательным [14]. линейным 4‑квадрантным усилителем напряжения. В зависимости от свойств катушки и пределов напряжения усилителя возможно два Экспериментальное измерение потерь режима измерения (рис. 7): переменного тока • к усилителю подключается только катушка (измерение на малом Большинство производителей катушек экспериментально измеря- токе, на общей схеме измерения); ют потери переменного тока в катушках БПЭ в режиме малого тока. • катушка подключена к усилителю как часть последовательного С помощью векторного анализатора цепей или LCR-измерителя ана- лизируется частотно-зависимый фазовый сдвиг между током и на- колебательного контура (измерение на большом токе). пряжением, и измеряется эффективное частотно-зависимое сопро- тивление переменного тока RAC,meas, которое учитывает все потери в катушке. Поскольку катушки индуктивности являются линейными элементами схемы, ток в катушке линейно масштабируется с прило- женным напряжением [15]. Исходя из этого обычно предполагается, что измерение в режиме малого тока точно предсказывает поведение катушки и в режиме большого тока. Общие потери мощности при амплитуде тока Irms будут равны PAC,tot = RAC,measI2rms. Далее мы сравним аналитический расчет потерь, показанный в предыдущей главе, с результатами практического измерения в ре- жиме малого тока. Кроме того, будет представлена новая установка для измерения потерь переменного тока в режиме большого тока и проанализированы результаты, при этом результаты измерений будут сравниваться со значениями потерь, полученными при их из- мерении методом большого и малого токов. Анализ импеданса в режиме малого тока Для того чтобы подтвердить правильность аналитических расчетов потерь, продемонстрированных выше, сравним их с измерениями в режиме малых токов. В предыдущей главе мы вычислили общие КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2021 www.kite.ru
36 компоненты беспроводная передача энергии а роста температуры в зависимости от тока становится более крутой, а температура ка- бв тушки при фиксированной амплитуде тока увеличивается пропорционально потерям. Рис. 7. Экспериментальная установка для измерения самонагрева катушек БПЭ Номинальный ток можно непосредственно при различных частотах и амплитудах тока: взять из рис. 8, на котором показано сниже- а) общая схема; ние номинальных значений тока в зависи- б) измерение на малом токе с использованием LCR-измерителя; мости от частоты. Сплошные линии соот- в) измерение на большом токе с использованием векторного анализатора цепей ветствуют аналитической аппроксимации уравнения (4) с α = 92,56 °C/Вт к данным из- В первом случае катушка действует как ко омическое сопротивление катушки. Ток мерений. Эквивалентные потери мощности индуктивная нагрузка. Ток и напряжение и напряжение не сдвинуты по фазе, и для показаны на правой оси ординат. Предел по- сдвинуты по фазе на 90°, а импеданс мас- возбуждения тока нужной амплитуды по- вышения температуры ΔT = 40 °C обозначен штабируется с |Z| ∝ ωL. Высокое напряже- надобятся только низкие напряжения. В лю- серой линией. ние необходимо для обеспечения желаемой бом режиме ток через катушку изменяется амплитуды тока, для чего требуется большая от нуля до определенного значения. На каж- На рис. 9 мы построим нормирован- реактивная мощность, поэтому и необхо- дом этапе, после ее стабилизации, измеряется ную кривую снижения номинального тока. дим 4‑квадрантный усилитель напряжения. повышение температуры катушки по срав- Отметим, что номинальный ток определяет- Во втором случае LC-контур приводится нению с температурой окружающей среды. ся для большинства пассивных компонентов, в резонанс. Комплексные импедансы катуш- поставляемых компанией Würth Elektronik, ки индуктивности и конденсатора компенси- На рис. 8 показаны результаты измере- как амплитуда тока, которая приводит к по- руют друг друга, и LC-цепь показывает толь- ния катушки 760308101214 компании Würth вышению температуры на ΔT = 40 °C [16]. Elektronik. С увеличением частоты кривая Измерение сравнивается с расчетом сниже- ния номинального тока на основе измерен- ного сопротивления переменного тока в ре- жиме малого тока (сплошная линия). Как можно видеть, в реальных условиях работы в режиме большого тока ухудшение характе- ристик больше, чем ожидалось при измере- ниях в режиме малого тока. Дальнейший анализ измеренных темпера- турных кривых показывает, что повышение температуры катушки пропорционально ам- плитуде приложенного тока. Следовательно, это можно связать с потерей электроэнергии, введя коэффициент преобразования α в еди- ницах °C/Вт. Фактическая потеря мощности при измеренном повышении температуры определяется следующим образом: Ploss = RI 2 = DT/α. (4) rms Коэффициент преобразования является характеристической постоянной для каждой Рис. 8. Самонагрев катушки 760308101214 Würth Elektronik Рис. 9. Нормированный номинальный ток катушки 760308101214 в зависимости от приложенного тока на разных частотах компании Würth Elektronik, построенный в зависимости от частоты приложенного синусоидального переменного тока КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2021
беспроводная передача энергии компоненты 37 катушки и может быть откалиброван с помощью измерений по- стоянного тока. В условиях постоянного тока единственным источ- ником потерь мощности становится омическое сопротивление RDC обмотки, которое известно с высокой точностью, поэтому потери мощности в катушке также известны. Коэффициент преобразова- ния α находится подгонкой уравнения (4) с R = RDC к данным измере- ния постоянного тока. Для примера измерения, показанного на рис. 7, коэффициент пре- образования, как уже было определено, составляет α = 92,56 °C/Вт, а эквивалентные потери мощности показаны на правой оси Y рис. 8. При известном α уравнение (4) можно использовать либо для рас- чета фактических потерь мощности в катушке в рабочих условиях, если известно повышение температуры, либо для оценки повышения температуры в катушке, если известны потери мощности. Таким об- разом, знание потерь мощности при заданном токе означает, что нам известен и соответствующий импеданс. Анализ результатов исследования Теперь определим, можно ли точно спрогнозировать снижение но- Рис. 10. Снижение номинального тока различных катушек Würth Elektronik минального тока катушек БПЭ на основе измерений в режиме малого в реальных условиях эксплуатации до частоты f = 130 кГц тока и аналитических расчетов потерь. Напоминаем читателю, что на рис. 6 было показано высокое соответствие между измерениями потерь и измерения в режиме малых токов все же дают представле- малых сигналов и аналитическими расчетами потерь. Таким образом, ние о частотной зависимости потерь и позволяют тщательно выби- оба результата можно использовать эквивалентно. рать материалы и конструктивное решение катушки системы БПЭ. Наконец, мы сравнили поведение некоторых катушек для систем Итак, например, для катушки 760308101214 для расчета повыше- БПЭ от компании Würth Elektronik в условиях переменного тока в ре- ния температуры в соответствии с измеренным сопротивлением жиме большого тока. Обзор выбранных катушек показан в таблице. по переменному току мы можем использовать формулу (4), далее извлекаем значения номинального тока из этого расчета и создаем Снижение номинального тока в зависимости от частоты для этих расчетную кривую снижения номинального тока рядом с фактиче- катушек показано на рис. 10. С увеличением частоты все катуш- ским измерением, показанным на рис. 9. Интересно, что результат ки демонстрируют уменьшение допустимого номинального тока. измерения немного отличается от расчетного. В условиях работы Поведение отдельных катушек зависит от типа провода и структуры в режиме большого тока потери мощности в катушке выше, чем это обмотки. предсказано путем измерения в режиме малого тока. Мы видим, что большое влияние на поведение катушек по перемен- Мы повторили измерения для нескольких катушек из широкого ному току имеют плотность намотки и структура обмотки катушки. ассортимента катушек компании Würth Elektronik и наблюдали ана- Если соседние витки расположены близко друг к другу, то магнитное логичное поведение для всех катушек, независимо от типа и геоме- поле, пронизывающее соседние витки, будет сильным и потери бли- трии провода. Скорее всего, расхождение между измерениями малых зости будут велики. Многослойные катушки также приводят к более и больших токов можно объяснить влиянием гармоник. В то время как высоким потерям близости, поскольку в этом варианте каждый ви- в режиме малого тока выходной сигнал векторного анализатора цепей ток имеет свыше двух соседних витков. Сравнивая катушки D, E и F имеет высокое качество и мало гармоник, в режиме большого тока вы- на рис. 9, мы видим, что с увеличением индуктивности и числа вит- ходной сигнал усилителя содержит гармонические составляющие. ков их характеристики ухудшаются с повышением рабочей частоты. Поэтому для достижения хороших характеристик по переменному Хотя катушки индуктивности действуют как фильтры нижних току предпочтительны катушки с низкой плотностью витков и одно- частот и амплитуда высокочастотных компонентов в основном по- слойным исполнением (для многослойных катушек необходимо учи- давляется, все же небольшое количество этих компонентов остается. тывать еще и эффект взаимного экранирования. — Прим. пер.). Как показано на рис. 6, с увеличением частоты сопротивление об- мотки значительно увеличивается, так что даже небольшой вклад В случае катушек из литцендрата (это катушки A, B и C) потери гармоник может привести к значительным потерям мощности. Мы близости в основном нивелируются, поэтому высокая плотность пришли к выводу, что для точного прогнозирования самонагрева ка- витков не обязательно приводит к большим потерям. Это становится тушки в рабочих условиях необходимы измерения именно в режиме очевидным, поскольку катушки от A до C показывают очень похожее больших токов. поведение на переменном токе, независимо от структуры их обмотки. Если катушки индуктивности выбраны в соответствии с их ха- В общем и целом, мы наблюдаем значительное снижение номи- рактеристиками на малых токах, то инженеры должны учитывать, нального тока для всех катушек. Однако катушки из литцендрата что повышение температуры в реальных рабочих условиях может (катушки A–C) превосходят аналоги из сплошной проволоки (ка- оказаться выше ожидаемого. Тем не менее аналитические расчеты тушки E–F). На рабочей частоте f = 125 кГц измеренные катушки, выполненные из литцендрата, показывают снижение номинальных Таблица. Обзор параметров испытанных катушек систем БПЭ характеристик примерно на 25%, а измеренные катушки из сплош- от компании Würth Elektronik ной проволоки — почти 50%. Катушка Номер Назначение Индуктивность, Тип провода Тип намотки Наконец, мы сравним катушки A и B, которые почти идентичны для заказа катушки мкГн по индуктивности, геометрии обмотки и типу провода. Они раз- личаются только геометрией магнитного сердечника. Как показано A 760308101103 Передающая 6,5 Литцендрат Однослойная на рис. 10, их поведение на переменном токе идентично. Это под- тверждает предположение, что потери магнитного сердечника в пло- B 760308102210 Приемная 7,5 Литцендрат Однослойная ских катушках по сравнению с другими механизмами потерь доволь- но-таки малы. C 760308101107 Передающая 24 Литцендрат Двухслойная D 760308101220 Приемная 12,6 Сплошной, трифиляр Однослойная E 760308101214 Приемная 26 Сплошной, трифиляр Однослойная F 760308101303 Приемная 47 Сплошной, бифиляр Двухслойная КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2021 www.kite.ru
38 компоненты беспроводная передача энергии Заключение 5. Reinert J., Brockmeyer A., de Doncker R. Calculation of losses in ferro- and ferrimagnetic materials based on the modified steinmetz equation // В статье представлен подробный обзор потерь на переменном токе IEEE Transactions on Industry Applications. 2001. Vol. 37. No. 4. в катушках для систем беспроводной передачи энергии. Также от- 6. Brander T., Gerfer A., Rall B., Zenkner H. Trilogie der induktiven Bauelemente: Applikationshandbuch fur EMV-Filter, getaktete Stromversorgungen und дельно проанализированы различные механизмы потерь и пред- HF-Schaltungen. 4th ed. Kunzelsau, Swiridoff Verlag, 2013. ставлена аналитическая модель для расчета потерь на скин-эффект 7. Albach M. Induktivitaten in der Leistungselektronik. Wiesbaden, Springer Fachmedien Wiesbaden, 2017. и эффект близости в гибких проводах типа литцендрат. Был про- 8. Rosskopf A., Bar E., Joffe C. Influence of inner skin- and proximity effects on демонстрирован расчет потерь переменного тока, основанный conduction in litz wires // IEEE Transactions on Power Electronics. 2014. vol. 29. No. 10. на моделировании методом конечных элементов, для двух катушек 9. Barth D., Klaus B., Leibfried T. Litz wire design for wireless power transfer in компании Würth Elektronik и сравнение полученных результатов electric vehicles. 2017 IEEE Wireless Power Transfer Conference (WPTC). IEEE, 10.05.2017–12.05.2017. с измерениями в режиме малого тока. Этот анализ показал высокое 10. Rossmanith H., Doebroenti M., Albach M., Exner D. Measurement соответствие полученных результатов друг другу. and characterization of high frequency losses in nonideal litz wires // IEEE Transactions on Power Electronics. 2011. Vol. 26. No. 11. В статье также описана новая установка для измерения самона- 11. Lu M., Ngo K. D. T. Analytical calculation of proximity-effect resistance грева катушек систем БПЭ в условиях переменного тока в режиме for planar coil with litz wire and ferrite plate in inductive power transfer. IEEE Transactions on Industry Applications, 2019. больших токов. Авторы разработали метод определения фактиче- 12. Bosshard R., Kolar J. W., Muhlethaler J., Stevanovic I., Wunsch B., Canales F. ских потерь мощности в катушке на основе измерения температуры Modeling and η-α-pareto optimization of inductive power transfer coils for electric vehicles // IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power путем калибровки установки в условиях постоянного тока. Благодаря Electronics. 2015. Vol. 3. No. 1. этому появилась возможность сравнить потери мощности в режимах 13. Sullivan C. R., Zhang R. Y. Simplified Design Method for Litz Wire. Piscataway NJ, IEEE, 2014. малого и большого токов, что позволило обнаружить несоответствие 14. Bosshard R., Kolar J. W. Multi-objective optimization of 50 kw/85 kHz ipt между обоими методами измерения. Потери мощности в реальных system for public transport // IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics. 2016. Vol. 4. No. 4. условиях работы оказались выше, чем ожидалось при измерениях 15. Jackson J. D. Classical electrodynamics. Hoboken, NY: Wiley, 1998. на малом токе. 16. Klein S. Application note: The sham of the high rated current. Würth Elektronik Кроме изложенного, был проведен анализ и сравнение поведения eiSos GmbH & Co. KG. 17. Герман-Галкин С. Карл Август Штейнмец: ученый, инженер, конструк- на переменном токе некоторых типов катушек систем беспроводной тор, изобретатель, педагог. www.controleng.ru/retrospektiva/karl-avgust- передачи энергии из портфолио компании Würth Elektronik. Было shtejnmets-ucheny-j‑inzhener-konstruktor-izobretatel-pedagog/ 18. WE-WPCC Wireless PowerCharging Receiver Coil 760308101214. показано, как конструктивное исполнение катушки и тип провода www.we-online.com/catalog/datasheet/760308101214.pdf 19. WE-WPCC Wireless PowerTransfer Transmitter Coil 760308101103. влияют на потери переменного тока. www.we-online.de/katalog/datasheet/760308101103.pdf 20. Надлер А., Сом К. Беспроводная передача энергии большой мощности для Таким образом, статья продемонстрировала, что для точного про- устройств, работающих в условиях индустриальной среды // Компоненты и технологии. 2017. № 7, 8. гнозирования температуры катушки в конечном приложении необ- 21. Рагху Н. Выбор катушек для беспроводных зарядных устройств // Компоненты и технологии. 2015. № 9. ходимы измерения самонагрева катушек с большими уровнями тока. 22. Utschick C., Merz C., Som C. AC Loss Behavior of Wireless Power Transfer Coils. 2019 Wireless Power Transfer Conference. www.ieeexplore.ieee.org/ Потери мощности в условиях переменного тока значительно выше, document/9055524 23. Utschick C., Merz C., Som C. AC Loss Behavior of Wireless Power Transfer чем в условиях постоянного тока, что приводит к увеличению на- Coils. www.we-online.de/web/en/index.php/show/media/07_electronic_ components/produkte_3/wireless_power/Poster_WPW_2019.pdf грева катушки и снижению номинального тока. Дополнительная информация по проблемам беспроводной передачи энергии боль- шой мощности доступна в [20], а дополнительные вопросы выбора катушек представлены в [21]. Оригинальная версия статьи доступна по ссылке [22], а ее краткий постер — в [23]. n Литература 1. Foote O. A review of high-power wireless power transfer. IEEE Transportation Electrification Conference and Expo (ITEC), 2017. 2. Ramrakhyani A. K., Mirabbasi S., Mu C. Design and optimization of resonance- based efficient wireless power delivery systems for biomedical implants // IEEE transactions on biomedical circuits and systems. 2011. Vol. 5. No. 1. 3. Kim D., Abu-Siada A., Sutinjo A. State-of-the-art literature review of wpt: Current limitations and solutions on ipt // Electric Power Systems Research. 2018. Vol. 154. 4. Bosshard R. Multi-objective optimization of inductive power transfer systems for EV charging. PhD Thesis, 2015. новости мсточники питания Ультракомпактный бюджетный модуль RECOM с широким входным диапазоном Компания RECOM анонсирует выпуск RPL‑3.0, полноценным функционалом: жесткая регулиров- Модуль RPL‑3.0 оптимален для использования ультракомпактного бюджетного модуля с широким ка выходного напряжения, комплексная защита, в распределенной архитектуре электропитания, входным диапазоном и настраиваемым выходом. подстройка напряжения на нагрузке, удаленное портативном оборудовании, системах визуали- управление on/off и сигнал «выход в порядке». зации и обычных телекоммуникационных и про- Корпус LGA с 10 контактными площадками об- Для обеспечения работы модуля необходимы мышленных приложениях, где важны высокий ток ладает улучшенными характеристиками по отводу только входные и выходные конденсаторы и ре- и удельная мощность. Для оценки характеристик тепла, содержит интегрированную катушку индук- зистор для установки напряжения, максимальная в специфических условиях работы доступна от- тивности и встроенную управляющую микросхе- рабочая температура достигает +120 °C с неболь- ладочная плата RPL‑3.0‑EVM‑1. му драйвера, а размеры составляют всего 3×3 мм шим снижением мощности. с высотой корпуса 1,45 мм. RPL‑3.0 обладает www.recom-power.com КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2021
Реклама
40 компоненты источники питания Биполярные двунаправленные источники питания постоянного тока с входным напряжением 5–24 В Виктор Хасиев Биполярные источники питания уже давно известны на рынке, однако Евгений Ивашенко решения, способные корректно работать в моменты падения входного на- пряжения, в частности во время холодного пуска, и при этом обеспечивать [email protected] двунаправленный функционал, на данный момент отсутствуют. В статье представлен пример биполярного источника, невосприимчивого к изме- нениям входного напряжения при работе в режиме источника и в режиме нагрузки, то есть при протекании тока от выхода к входу. Введение Схемы биполярного двунаправленного источника питания Большинство существующих электронных систем работает от це- пей питания с положительным или отрицательным напряжением, На рис. 1 показана схема биполярного двухкаскадного источни- однако для некоторых приложений требуется наличие устройства, ка питания, в основе которого лежит четырехквадрантный DC/DC- способного выдавать напряжение как той, так и другой полярности. преобразователь LT8714, обозначенный на схеме как U1. Данный пре- В подобных случаях прибегают к использованию биполярных источ- образователь питается от повышающего преобразователя LTC7804, ников питания, напряжение на выходе которых может плавно регу- обозначенного на схеме как U2 и выдающего напряжение промежу- лироваться во всем необходимом диапазоне. Такие решения довольно точной шины VINTER в диапазоне 12–24 В (если брать максимальные часто встречаются в автомобильных приложениях или продвинутых значения) или 12–16 В (если брать номинальные значения), что со- аудиосистемах, где к традиционным источникам добавляются блоки ответствует диапазону напряжений в стандартной аккумуляторной питания, способные исполнять роль потребителей тока, то есть рабо- цепи автомобиля. Напряжение на выходе схемы источника состав- тать в режиме нагрузки. Ярким примером могут служить системы ре- ляет ±10 В при токе нагрузки 3 А и регулируется при помощи вывода куперативного торможения, применяемые в некоторых автомобилях. CTRL преобразователя U1. Рис. 1. Схема биполярного двунаправленного источника питания с двумя выходными клеммами: VIN = 5–24 В, VOUT = ±10 В при 3 А КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2021
источники питания компоненты 41 Фильтр нижних частот, состоящий из компонентов CF и RF, сгла- Рис. 2. Осциллограмма, снятая при снижении напряжения VIN с 14 до 5 В (VIN = 5 В/дел., живает скачки управляющего напряжения. Выходной тракт ис- VOUT = 5 В/дел., сигнал на выводе SW = 10 В/дел., временная шкала — 200 мкс/дел.) точника состоит из двух транзисторов MOSFET: n‑канальный QN1 и p‑канальный QP1, индуктивностей L1 и L2 и фильтра на вы- Рис. 3. Зависимость сигнала на выходе преобразователя от управляющего сигнала ходе, построенного из керамических конденсаторов. Использование (VCTRL= 0,5 В/дел., VOUT = 5 В/дел., временная шкала — 5 мс/дел.) двух индуктивностей вместо одной позволяет расширить диапазон допустимых к применению компонентов и применить дроссели, Рис. 4. Зависимость КПД от тока нагрузки которые уже присутствуют в спецификации на другие разрабатыва- емые устройства. Диапазон входных напряжений двухступенчатого источника пита- ния составляет 5–24 В, что предоставляет возможность компенсиро- вать падение напряжения, возникающее в автомобильных системах во время холодного пуска, или пониженное напряжение в промыш- ленных приложениях (brownout). Повышающий преобразователь U2 поддерживает внутреннее напряжение промежуточной шины на уровне 12 В или выше. Выходная цепь U2 состоит из индуктивно- сти L3 и транзисторов MOSFET Q1 и Q2 и обеспечивает нормальную работу преобразователя U1 при напряжении на нагрузке в диапазоне ±10 В во всех режимах работы. Принцип работы схемы в режиме источника На рис. 2 приведена осциллограмма, снятая во время работы схе- мы с рис. 1. При подаче напряжения на вход VIN, значение которого меньше 12 В, повышающий преобразователь U2 усиливает сигнал на выходе VINTER до уровня 12 В. Если же подаваемое на VIN напряже- ние превышает уровень в 12 В, преобразователь переходит в режим Pass-Thru, при котором транзистор Q1 оказывается открыт в течение всего рабочего цикла и напряжение на VINTER, подаваемое на четы- рехквадрантный преобразователь U1, становится равно напряжению, подаваемому на вход VIN U2. Предложенная выше схема источника питания позволяет суще- ственно увеличить КПД решения по сравнению с традиционными двухкаскадными системами, в основе которых лежит повышающий и следующий за ним понижающий/инвертирующий преобразова- тель. Значение КПД в режиме Pass-Thru, в котором устройство будет проводить большую часть своего времени, может достигать 100%, что, по сути, превращает его в однокаскадный преобразователь. Если же напряжение на входе падает ниже 12 В, например во время холодного пуска двигателя, преобразователь U2 выходит из режима Pass-Thru и возобновляет регулировку VINTER до уровня 12 В. Такой подход позволяет четырехквадрантному преобразователю U1 выда- вать ±10 В даже в моменты резких перепадов входного напряжения. Как уже упоминалось, управление выходным напряжением схемы происходит при помощи вывода CTRL преобразователя U1. Когда величина управляющего напряжения на выводе принимает макси- мальное значение 1,048 В, напряжение на выходе преобразователя становится равным +10 В. Если же величина управляющего напряже- ния принимает минимальное значение (100 мВ), напряжение на вы- ходе преобразователя опускается до –10 В. Зависимость выходного напряжения преобразователя от управляющего напряжения на вы- воде CTRL показана на рис. 3. Управляющий сигнал представляет собой синусоиду с частотой 60 Гц и размахом амплитуды 0,9048 В. Выходной сигнал преобразователя также является синусоидой часто- той 60 Гц, однако его размах амплитуды составляет 20 В. На графике видно, как сигнал на выходе преобразователя плавно изменяется от –10 В до +10 В. Выходное напряжение преобразователя U1 на выводе FB сравнива- ется с управляющим сигналом, и на основании результатов сравне- ния рассчитывается рабочий цикл преобразователя, то есть величина коэффициента заполнения сигнала на QN1. Если значения VINTER, CONTROL или VOUT изменяются, снова происходит сравнение и ре- гулировка рабочего цикла, что гарантирует наличие на выходе пре- образователя стабильного значения напряжения. Транзисторы QP1 и QN1 переключаются синхронно и выполняют роль активных вы- прямителей, что способствует росту КПД, как показано на рис. 4. КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2021 www.kite.ru
42 компоненты источники питания Рис. 6. Внешний вид биполярного двунаправленного источника, собранного на основе демонстрационных плат DC2846A и DC2240A Рис. 5. Температурный анализ 4‑квадрантного преобразователя в режиме нагрузки рехквадрантный контроллер с синхронным выпрямителем и высо- (ток течет в обратном направлении). VOUT = 12,5 В, ток 4,5 А ким КПД. LTC7804 представляет собой синхронный повышающий преобразователь с интегрированным зарядовым насосом, возмож- Принцип работы схемы ностью работы в режиме Pass-Thru и коэффициентом заполнения в режиме нагрузки 100%. Приведенная выше схема двунаправленного источника питания В таблицах 1–3 приведены формулы для расчета параметров пре- может работать как в режиме источника, так и в режиме приемника, образователей и подбора компонентов обвязки. Для более глубоко- то есть нагрузки. При работе в режиме приемника ток течет в об- го понимания и получения дополнительных сведений о функцио- ратном направлении от выхода VOUT к входу VIN. Данный режим нальных возможностях компонентов рекомендуется обратиться к их довольно часто востребован в автомобильной электронике и некото- LTspice-моделям. рых типах аудиосистем. Для того чтобы упростить описание работы источника в данном режиме, VOUT далее в тексте будет называться Таблица 1. Расчет параметров выходной цепи четырехквадрантного преобразователя входом, а VIN, наоборот, выходом. Также будет рассмотрен только тот Установка минимального значения VINTER случай, когда напряжение VINTER всегда больше или равно 12 В. Коэффициент заполнения При работе в режиме нагрузки четырехквадрантный преобразова- четырехквадрантного преобразователя тель регулирует выходной ток, который проходит от VOUT к VIN, по- средством замера падения напряжения на измерительном резисторе Средний ток на L1, ŋ = КПД RS2 и последующей регулировки рабочего цикла для поддержания величины падения напряжения на уровне 50 мВ. Следует отметить, Пиковый ток на L1 что в данном режиме преобразователь не стабилизирует напряжение и способен управлять только величиной тока. Пиковый ток на L2 Поскольку преобразователь U1 генерирует напряжение Градиент напряжения на QN1 и QP1 на шине VINTER, превышающее минимальное значение 12 В, повы- шающий преобразователь U2 переходит в режим Pass-Thru, а тран- Таблица 2. Расчет параметров цепи управления 4‑квадрантного преобразователя зистор Q1 оказывается открыт в течение всего периода работы, бла- Величина управляющего напряжения годаря чему выходной ток поступает на нагрузку, подключенную для максимального отрицательного VOUT к контактам VIN, с минимальными потерями. РвыезбиисртаоермобблриажтнаоййшсивйянзоимRиFнBа, л из стандартного ряда Работа преобразователя в режиме нагрузки была проверена на стен- де. Для этого VOUT схемы, изображенной на рис. 1, был подключен Величина управляющего напряжения к лабораторному источнику питания, установленному на 12,5 В, для максимального положительного VOUT а VIN — к электронной нагрузке, величина тока, протекающего через преобразователь, составила 4,5 A. На рис. 5 приведен температурный анализ четырехквадрантного преобразователя LT8714. На рис. 6 показан внешний вид биполярного двунаправленного источника питания, собранного из двух демонстрационных плат от ADI: платы DC2846A, построенной на базе повышающего преоб- разователя LTC7804, и DC2240A, построенной на базе четырехква- дрантного преобразователя LT8714. Расчет параметров Таблица 3. Расчет параметров повышающего преобразователя* и подбор компонентов Для построения решения были выбраны преобразователи Скважность при VIN < VINTER LT8714 и LTC7804 благодаря их высокой производительности, эф- фективности и простоты использования, когда дело касается спе- Примечание. *Напряжение на Q1 и Q2 циализированных функций. Преобразователь линейки Power by определяется исходя из максимального значения напряжений VINTER или VIN. Linear LT8714 представляет собой простой в использовании четы- КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2021
источники питания компоненты 43 Пример расчета L1 и L2 были выбраны как L1 = 10 мкГн, функции преобразователя, такие как син- а L2 = 15 мкГн. Приведем результаты расчета с исполь- хронное выпрямление, обеспечивают вы- зованием формул из таблиц 1–3 для преоб- IL1 = 6,1 A; IL2 = 4,3 A, разователя, генерирующего на выходе ±10 В сокий КПД всего решения, а простая схема при токе 3 А, частоте переключения 200 кГц VQ = 58 (при максимальном VIN = 24 В), и КПД 90%: управления выходным напряжением обеспе- VCTRN = 0,1 В, VINTER = 12 В, чивает легкую интеграцию в системы с про- VCTRP = 1,048 В, D4Q = 0,647 В. цессорным управлением или управлением RFB = 147 кОм. На основе графика зависимости макси- от внешних источников. Построенная на его мального тока от коэффициента заполнения Градиент напряжения на Q1, Q2 = 24 В. из документации на LT8714 получим: основе схема источника позволяет не толь- Заключение VCSP = 57 мВ для данного D4Q = 0,647 В, ко решить проблему с нестабильным вход- Преобразователь, представленный в дан- RS1 = 0,63VCSP/IOUT(1–D4Q) = 0,004 Ом, ной статье, является прекрасным выбором ным напряжением (в том числе со скачками для построения биполярных двунаправ- RS2 = (50/1,5)IOUT = 0,01 Ом. ленных источников питания. Специальные во время переходных процессов), но и га- рантировать стабильный уровень напря- жения на выходе устройства во всех режи- мах работы. LT8714 позволяет с легкостью построить биполярный двунаправленный преобразователь, а LTC7804 обеспечивает близкий к 100% КПД и еще больше повыша- ет надежность и эффективность устройства, особенно когда речь идет о его применении в автомобильных и промышленных прило- жениях. n новости разъемы Автомобильный Ethernet ODU MINI-SNAP Компания ODU (Мюльдорф-на-Инне, Германия) анонсировала запуск в производство разъемов для однопарного Ethernet (SPE). Ethernet-соединение выполнено по одной витой паре с питанием по се- тевому кабелю (PoDL — Power over Data Line). Стандарты и реализация SPE: • 1000BASE-T1 (IEEE 802.3bp); • 1000BASE-T1 (IEEE 802.3bw); • 10BASE-T1 (IEEE 802.3cq). Разъемы серий ODU MINI-SNAP L, K с защелкой Push-Pull и уровнем защиты IP50 и IP68 гарантиру- ют не менее 5000 циклов соединений, они могут применяться как замена CAN и других шинных систем в автомобилях нового поколения, а также в промышленной автоматизации для подключения приборов, датчиков/исполнительных механизмов и т. п. На заводе ODU можно заказать кабельные сборки разной длины, в том числе выполненные методом экструзии. www.odu.ru Реклама КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2021 www.kite.ru
44 компоненты кварцевые резонаторы Исследование высокочастотных кварцевых резонаторов среза SC Сергей Демин В статье приводятся результаты сравнительных исследований параметров высокочастотных резонаторов срезов SC и АТ. Установлено, что резона- [email protected] торы среза SC превосходят резонаторы среза АТ по добротности, уровню Александр Южалкин фазовых шумов и стабильности частоты в процессе испытаний на безот- казность. Однако эквивалентная емкость у резонаторов среза SC меньше, [email protected] в связи с чем их труднее перестраивать в схеме генератора. Показано, что Сергей Пашков проблемой, возникающей при конструировании генераторов с резонато- рами SС-среза, является наличие высокодобротной В‑моды, отстоящей [email protected] от рабочей С‑моды приблизительно на 10% выше по частоте. Предложена Юлия Глазунова схема кварцевого генератора с фильтром, который подавляет В‑моду. Описан технологический генератор, разработанный для измерения фа- [email protected] зовых шумов высокочастотных кварцевых резонаторов. Семен Богуславский [email protected] Резонаторы среза SC применяются в ос- Частотный коэффициент среза SC практи- метрах кварцевых резонаторов среза SC в ди- новном в высокостабильных мало- чески равен частотному коэффициенту среза апазоне частот 2–10 МГц. В связи с этим были шумящих термостатированных гене- АТ (1779 и 1666 кГц·мм соответственно). исследованы высокочастотные резонаторы, раторах. Согласно данным, приведенным предназначенные для СВЧ-генераторов. во многих работах, кварцевые резонаторы По форме кривые температурно-частот- среза SC обладают рядом преимуществ перед ных характеристик (ТЧХ) среза SC подобны Была сделана партия заготовок для резо- резонаторами среза АТ [1–5]. срезу АТ (рис. 2), но точка перегиба сме- наторов на частоту 67,25 МГц (3‑я гармони- щена в область более высоких температур: ка) с углами среза yxbl/+21°56′/+34°14′30″. Проведенные Р. Холландом расчеты пока- +80…+100 °С [5]. Партию заготовок разделили на две части. зали, что воздействующие в плоскости квар- Из первой части были выполнены резона- цевой пластины напряжения, возникшие В термостатированных кварцевых генера- торы с диаметром электродов Dэ = 2,5 мм, вследствие неодинаковости нагрева по тол- торах, в зависимости от требуемых параме- как у резонаторов БР110 (АТ-срез) [10]. щине, вызывают большие сдвиги частоты тров, возможно использование кварцевых Из второй части — с диаметром электродов из-за наличия упругих постоянных третьего резонаторов либо АТ-, либо SC-среза [7–9]. Dэ = 2 мм согласно рекомендациям, содержа- порядка [6]. Холланд продемонстрировал, щимся в патенте [11]. что существует срез с двойным поворотом, В отечественной и зарубежной литературе в котором устраняются эффекты, определя- содержатся данные об эквивалентных пара- емые упругими постоянными третьего по- рядка (рис. 1). Он получил название SC-срез (stress compensated — срез с компенсацией напряжений в кристалле). Рис. 1. Расположение пластинки SC-среза Рис. 2. Температурные зависимости ухода частоты кварцевых резонаторов AT- и SC-среза относительно кристаллографических осей КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2021 кварцевого кристалла
кварцевые резонаторы компоненты 45 Таблица 1. Эквивалентные параметры высокочастотных резонаторов резонатора SC-среза. Принципиальная схе- ма технологического генератора приведена Эквивалентные параметры на рис. 3. Резонаторы Dэ = 2 мм Q×103 R1, Ом L1, мГн С1, фФ С0, пФ С0/С1 Как видно на рис. 3, схема представляет SC-среза Средняя величина параметра собой генератор по схеме Колпица с общей 165–195 44–53 20–22 0,254–0,279 2,3–2,44 8494–9211 базой, в цепь коллектора которого включен Резонаторы Dэ = 2,5 мм 182,6 47,8 20,5 0,268 2,36 8769 контур Lk-C1‑C2. Резонатор АТ-среза вклю- AT-среза Средняя величина параметра 29–41 13–17 чен в цепь базы генератора. Сигнал гене- 148–197 31,8 13,8 0,326–0,429 3,33–3,39 7859–10 200 ратора усиливается буферным усилителем Dэ = 2,5 мм 179,3 9–10 3,8–4,2 0,403 3,34 8392 на транзисторе X2 и подается на вход анали- Средняя величина параметра 9,1 3,94 затора сигналов. 147–183 1,31–1,45 3,44–3,59 2388–2629 167,2 1,4 3,5 2394 Как известно, шумы кварцевого генерато- ра определяются по формуле (1), предложен- Таблица 2. Уровень фазовых шумов высокочастотных резонаторов ной Д. Лисоном: Отстройка от несущей 10 Гц 100 Гц 1 кГц 10 кГц 100 кГц 1 МГц Резонаторы SC-среза Уровень фазовых шумов, от –84 от –110 от –135 от –150 от –157 от –157 (Dэ = 2 мм) дБ/Гц до –93 до –119 до –139 до –153 до –159 до –159 –88,5 –115,2 –137,8 –151,3 –157,9 –157,9 Средняя величина параметра Резонаторы SC-среза Уровень фазовых шумов, от –70 от –97 от –132 от –150 от –157 от –153 (1) (Dэ = 2,5 мм) дБ/Гц до –100 до –130 до –140 до –151 до –159 до –159 где k — постоянная Больцмана; Т — абсо- –86,8 –115,5 –137,6 –151,7 –157,4 –157,5 лютная температура; F — коэффициент Резонаторы АТ-среза Средняя величина параметра oт –45 oт –96 oт –127 oт –146 oт –147 от –141 шума транзистора; Pq — мощность, рассеи- (Dэ = 2,5 мм) Уровень фазовых шумов, до –88 до –114 до –142 до –155 до –156 до –150 ваемая на кварцевом резонаторе; fl = f0/2Qрез; дБ/Гц –67,8 –106,2 –135,8 –151,2 –151,7 –145,5 Qрез — нагруженная добротность резона- тора; FC — частота фликкер-шума транзи- Средняя величина параметра стора (и резонатора); f — частота отстройки Таблица 3. Эквивалентные параметры высокочастотного резонатора при возбуждении на модах С и В Эквивалентные параметры f, МГц Q×103 R1, Ом L1, мГн С1, фФ С0, пФ С0/С1 от несущей. Из формулы (1) видно, что фазовый шум Термостабильная рабочая С-мода 67,25 175 41 17,17 0,3261 3,3 10 020 снижается при увеличении мощности, рас- Термочувствительная В-мода 73,78 315 28 19,18 0,2426 3,3 13 800 сеиваемой на кварцевом резонаторе, а также при выборе транзистора с невысоким значе- В таблицах 1 и 2 представлены эквивалент- Для измерения фазовых шумов высо- нием коэффициента шума. ные параметры и уровни фазовых шумов вы- кочастотных кварцевых резонаторов был Измерения проводились с помощью ана- сокочастотных резонаторов SC- и АТ-срезов. разработан технологический генератор, лизатора сигналов Е5052 фирмы Agilent. Для В результате анализа приведенных данных состоящий из схемы и контактирующей измерения резонаторов АТ-среза дополни- установлено: колодки для подсоединения измеряемого тельных фильтров не требуется, поэтому • При уменьшении диаметра электродов резонатора. Поскольку кварцевый резона- вместо резонатора АТ в базовой цепи вклю- высокочастотных резонаторов среза SC тор среза SC работает по 3‑й механической чен блокирующий конденсатор, сам резона- эквивалентное сопротивление (R1), экви- гармонике и также имеет резонанс, отстоя- тор включается вместо резонатора SC-среза. валентная индуктивность (L1), емкостный щий от основного колебания на ~9%, то для На рис. 4 представлены ТЧХ высокочастот- коэффициент (C0/C1) увеличиваются, эк- устойчивой работы в схему необходимо ных резонаторов SC-среза. вивалентная (C1) и статическая (C0) емко- ввести фильтр, подавляющий все нежела- сти уменьшаются. Добротность (Q) при- тельные колебания. Целесообразно уточнить углы среза таким образом, чтобы повернуть кривые ТЧХ про- близительно одинаковая. Уровни фазовых В качестве фильтра был использован резо- тив часовой стрелки для обеспечения мини- шумов практически одинаковые. натор АТ-среза, имеющий частоту последо- мальных уходов частоты. Однако даже и без • У высокочастотных резонаторов среза SC вательного резонанса такую же, как и частота коррекции углов резонаторы соответству- с диаметром электродов Dэ = 2,5 мм: до- бротность (Q), эквивалентное сопротивле- ние (R1), эквивалентная индуктивность (L1), емкостный коэффициент (C0/C1) больше, а статическая емкость (C0) меньше, чем у резонаторов среза АТ с такими же элек- тродами. Уровни фазовых шумов меньше. Проблемой, возникающей при констру- ировании генераторов с резонаторами SС-среза, является наличие В‑моды, отсто- ящей от рабочей С‑моды приблизительно на 10% выше по частоте. В таблице 3 приве- дены параметры резонатора при возбужде- нии на этих модах. Добротность (Q) термочувствительной В‑моды в 1,8 раза больше, а эквивалентное сопротивление (R1) в 1,46 раза меньше, чем у рабочей С‑моды. При обычном включении данного резонатора в цепь автогенератора он, Рис. 3. Принципиальная схема технологического генератора как правило, возбуждается на частоте В‑моды. КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2021 www.kite.ru
46 компоненты кварцевые резонаторы Рис. 4. Температурно-частотные характеристики высокочастотных кварцевых резонаторов SC-среза аб Рис. 5. График изменения частоты резонаторов SC-среза при температуре +85 °С: а) с размером электрода 2,5 мм; б) с размером электрода 2 мм ют требованию к допустимому изменению Таблица 4. Испытания на безотказность частоты ±510–6 в интервале температур, предъявляемому к резонаторам БР110. Время испытаний, ч Были проведены испытания высоко- Максимальная относительная Dэ = 2 мм 125 250 500 1000 2000 частотных резонаторов срезов SC и АТ нестабильность частоты Dэ = 2,5 мм от 0,491 на кратковременную безотказность. На рис. 5 у резонаторов SC-среза от 0,358 от 0,380 от 0,41 от 0,448 до –1,449 представлены графики изменения частоты до –0,191 до –0,331 до –0,571 до –0,940 от 0,88 резонаторов SC-среза с размерами электро- Максимальная относительная Dэ = 2 мм от 0,321 от 0,442 от 0,582 от 0,729 до 0,012 дов 2,5 и 2 мм. Уходы частоты большинства нестабильность частоты Dэ = 2,5 мм до 0,034 до 0,057 до 0,112 до 0,073 резонаторов находятся в пределах ±0,510–6. у резонаторов АТ-среза – от 0,09 от 1,09 от 0,89 от 0,19 В таблице 4 содержатся сравнительные до –0,55 до –025 до –0,61 до –1,61 – данные о максимальной нестабильности ча- от –0,37 от 0,27 от 0,48 от 0,02 стоты высокочастотных резонаторов в про- до –1,41 до –1,58 до –2,4 до –4,68 цессе испытаний. Максимальный уход частоты высоко- испытаний в течение 1000 ч приблизительно частотных резонаторов АТ-среза в процессе в 5 раз больше, чем у резонаторов SC-среза КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2021
кварцевые резонаторы компоненты 47 за это же время, и более чем в 3 раза больше Литература 7. Кастерс Дж. Новые исследования в обла- ухода резонаторов среза SC за 2000 ч. сти термокомпенсированных срезов кварца. 1. Вороховский Я. Прецизионные приборы квар- Материалы 31‑го симпозиума по стабилизации Заключение цевой стабилизации частоты для телекоммуни- частоты. США, 1977. кационных и навигационных систем. Проспект В результате анализа параметров высоко- АО «Морион», 2010. 8. Warner A. Design Performance of Ultraprecise 2,5‑MC Quartz Crystal Units // Bell Systems Tech- частотных резонаторов срезов SC и АТ уста- 2. Зеленка И. Пьезоэлектрические резонаторы nical Journal. September 1960. на объемных и поверхностных акустических новлено, что резонаторы среза SC превосхо- волнах. Материалы, технология, конструкция, 9. Пежо К., Соваж Г. СВЧ-генераторы на SC- применение. Пер. с чешск. М.: Мир, 1990. срезах кварца, имеющих низкий уровень шу- дят резонаторы среза АТ: мов и высокую долговременную стабильность. 3. Виг Д. Р. и др. Резонаторы SС-среза для термо- Материалы 34‑го симпозиума по стабилизации • по добротности; компенсированных генераторов. Материалы частоты. США, 1980. 36‑го симпозиума. США, 1982. • по уровню фазовых шумов; 10. Глазунова Ю. А., Пашков С. С., Шунков Е. В. 4. Ворд Р. В. Конструирование высококачествен- Исследование зависимости уровня фазовых • по стабильности частоты в процессе испы- ных резонаторов среза SС. Материалы 35‑го сим- шумов генераторов от конструкции и техноло- позиума по стабилизации частоты. США, 1981. гии изготовления резонаторов // Компоненты таний на безотказность. и технологии. 2020. № 3. 5. Vig J. R. Quartz Crystal Resonators and Oscillators. Вместе с тем: Tutorial. Fort Monmouth. NJ, USA, 2007. 11. Пашков С. С., Чернова О. В., Шахов П. Н. Кварцевый резонатор. Патент на изобретение • эквивалентная емкость у резонаторов среза 6. Holland R. IEEE Transfctions Sonics and Ultra- 2486666, 2012. sonics. 1976. Vol. SU‑23. SC меньше, в связи с чем их труднее пере- страивать в схеме генератора; • проблемой, возникающей при конструи- ровании генераторов с резонаторами SС- среза, является наличие В‑моды, отстоя- щей от рабочей С‑моды приблизительно на 10% выше по частоте. Добротность (Q) термочувствительной В‑моды значитель- но больше. При обычном включении дан- ного резонатора в цепь автогенератора он, как правило, возбуждается на частоте моды В. Предложена схема кварцевого генера- тора с фильтром, подавляющим В‑моду. В качестве фильтра используется резонатор АТ-среза, имеющий частоту последователь- ного резонанса такую же, как и частота резо- натора SC-среза. Для измерения фазовых шумов высоко- частотных кварцевых резонаторов разрабо- Реклама тан технологический генератор. n новости источники питания Серия THN 20WIR DC/DC-преобразователей нового поколения от Traco Power Компания Traco Power представляет серию Power до 20 Вт. THN 20WIR имеет широкий вход- оптимальной практически для любого применения DC/DC-преобразователей нового поколения ной диапазон 4:1 и повышенную устойчивость мощностью 20 Вт, выполненных в металлическом к электромагнитным помехам, ударам, вибрации, и упрощают процесс проектирования. корпусе размером 1×1 дюйм и предназначенных перегреву и поставляется в компактном металли- для применения на железной дороге в суровых ческом корпусе размером 1×1 дюйм с шестигран- Основные характеристики: условиях эксплуатации. ным экраном. • компактный металлический корпус размером Серия THN 20WIR — это семейство надежных Инновационная конструкция обеспечивает высо- 1×1 дюйм; DC/DC-преобразователей мощностью 20 Вт, кий КПД до 91% и, таким образом, поддерживает обеспечивающих высочайшую надежность в су- диапазон рабочих температур –40…+65 °C без сни- • сертификаты EN 50155 и EN 61373 ровых условиях и расширяющих существующий жения номинальных характеристик. Сертификаты для железнодорожного транспорта; железнодорожный диапазон компании Traco согласно стандартам EN 50155 и EN 61373 по- зволяют использовать их в железнодорожных • аттестация на огнестойкость согласно и транспортных системах. Дополнительная атте- EN 45545-2; стация на огнестойкость компонентов согласно EN 45545-2 и одобрение безопасности в соответ- • широкое входное напряжение 4:1: ствии с IEC/EN 62368-1, UL62368-1. Встроенные –36, 18–75, 36–160 В; функции, такие как внутренний фильтр EN 55032 класса A, блокировка входного пониженного на- • диапазон рабочих температур: –40…+65 °C пряжения, защита от короткого замыкания, дис- без снижения номинальных характеристик; танционное включение/выключение и регули- ровка выходного напряжения, делают эту серию • высокая эффективность: до 91%; • изоляция вход/выход 3000 В; • защита от перегрузки, перенапряжения и короткого замыкания; • дистанционное включение/выключение и функция подстройки; • трехлетняя гарантия. www.traco.online КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2021 www.kite.ru
Реклама
Search
Read the Text Version
- 1
- 2
- 3
- 4
- 5
- 6
- 7
- 8
- 9
- 10
- 11
- 12
- 13
- 14
- 15
- 16
- 17
- 18
- 19
- 20
- 21
- 22
- 23
- 24
- 25
- 26
- 27
- 28
- 29
- 30
- 31
- 32
- 33
- 34
- 35
- 36
- 37
- 38
- 39
- 40
- 41
- 42
- 43
- 44
- 45
- 46
- 47
- 48
- 49
- 50
- 51
- 52
- 53
- 54
- 55
- 56
- 57
- 58
- 59
- 60
- 61
- 62
- 63
- 64
- 65
- 66
- 67
- 68
- 69
- 70
- 71
- 72
- 73
- 74
- 75
- 76
- 77
- 78
- 79
- 80
- 81
- 82
- 83
- 84
- 85
- 86
- 87
- 88
- 89
- 90
- 91
- 92
- 93
- 94
- 95
- 96
- 97
- 98
- 99
- 100
- 101
- 102
- 103
- 104
- 105
- 106
- 107
- 108
- 109
- 110
- 111
- 112
- 113
- 114
- 115
- 116
