Ферритовый фильтр — что это, и для чего он нужен

В нашем быту появилось огромное множество средств вычислительной техники, которая работает на токах высокой частоты. Ведь чем выше частота, тем выше скорость обработки информации.

Однако, высокочастотные токи накладывают ряд технических ограничений на соединительные кабели для передачи таких сигналов. В первую очередь это связано с побочными электромагнитными излучениями и наводками (ПЭМИН).

Особо заметно сказываются помехи на длинных проводах – ведь сигнал имеет свойство затухать, а сам кабель выступает как антенна и потому внутри него могут зарождаться паразитные токи. А это губительно сказывается на качестве проходящих через кабель сигналов.

Простейший способ борьбы с ПЭМИН – увеличить индуктивность.

Индуктивность – это показатель соотношения величины силы тока, проходящего через контур, и создаваемого им магнитного потока. Если речь идет о прямолинейных проводах, то под индуктивностью подразумевается величина, характеризующая энергию магнитного поля (здесь ток считается постоянной величиной).

Индуктивность можно увеличить применением специального ферритового кольца. Как выглядят на кабелях ферритовые фильтры, можно посмотреть на фото ниже.

Ферритовые кольца – это компоненты электрической цепи, которые используются как пассивные элементы для фильтрации высокочастотных помех за счет повышения индуктивности проводника и поглощения помех, превышающих заданный порог.

Такие свойства ферритовому фильтру придает материал, из которого он изготовлен – феррит.

Феррит – это общее название соединений на основе оксида железа и оксидов других металлов. Ферриты совмещают в себе свойства ферромагнетиков и полупроводников (иногда диэлектриков) и потому используются в качестве сердечников катушек, постоянных магнитов, выступают в качестве поглотителей электромагнитных волн высоких частот и т.д.

Ферритовые кабельные фильтры с защелкой — принцип работы

Работа ферритового фильтра напрямую зависит от характеристик материала, из которого он изготовлен. За счет специальных добавок оксидов различных металлов меняются свойства феррита.

Принципиально различают несколько способов применения ферритовых колец:

1. На одножильных (однофазных) проводах он может, наоборот, поглощать излучение в определенном диапазоне, преобразуя наводки в тепловую энергию. Таким образом негативные частоты могут поглощаться (отсекаться) ферритовым кольцом.
2. На одножильных проводах, где он работает как своеобразный усилитель, так как возвращает часть высокочастотного магнитного поля обратно в кабель, что приводит к усилению сигнала в заданном диапазоне.
3. На многожильных проводах феррит работает как синфазный трансформатор, который пропускает несимметричные сигналы в кабеле (импульсы тока, например, в кабелях передачи данных или в цепях питания постоянным током) и гасит симметричные сигналы (которые потенциально могут вызываться в таких кабелях только электромагнитными наводками).

Где использовать и как выбрать ферритовый фильтр

Если говорить о практике применения, то на кабелях питания ферритовые кольца применяются для уменьшения помех, которые могут создать сами кабели, а на сигнальных (передающих данные) ферриты гасят возможные внешние помехи и наводки.

Ферритовые кабельные фильтры могут быть встроенными (кабель продается уже с ферритовым кольцом) или отдельными (чаще всего это защелкивающиеся вокруг провода модели), которые не требуют каких-либо доработок самого кабеля.

Провод может вставляться в центр ферритового фильтра (получается одновитковая катушка), а может образовывать вокруг кольца несколько витков (тороидальная обмотка). Последний способ значительно увеличивает эффективность работы фильтра.

Чтобы подобрать ферритовое кольцо под заданные требования, нужно знать характеристики материала, из которого оно изготовлено и габариты изделия.

Для примера ниже в таблице обозначены основные характеристики ферритовых фильтров, предлагаемых на рынке.

График зависимости частоты и импеданса

Импеданс – это полное внутреннее сопротивление элемента электрической цепи к переменному (гармоническому) току (сигналу). Измеряется, как и обычное сопротивление, в омах.

Еще одним немаловажным параметром ферритовых фильтров является их магнитная проницаемость.

Магнитная проницаемость – это коэффициент, который характеризует связь между магнитной индукцией и напряженностью магнитного поля в веществе.

Исходя из вышесказанного, для того, чтобы обозначить основные свойства ферритовых фильтров, производители прибегают к следующей маркировке:

3000HH D * d * h, где:

1. 3000 – это показатель начальной магнитной проницаемости феррита,
2. HH – это марка феррита (чаще всего это HH – ферриты общего назначения, или HM – для слабых магнитных полей),
3. D – наибольший (внешний) диаметр,
4. d – меньший (внутренний) диаметр,
5. h – высота тороида.

Приведем типовые примеры применения ферритов:

• Марка 100НН может использоваться для кабелей с частотами до 30 МГц,
• 400НН — с частотами не выше 3,5 МГц,
• 600НН — с частотами до 1,5 МГц
• 1000НН — до 400 кГц.

То есть, к примеру, антенный ферритовый фильтр должен быть марки HH.

А вот ферритовый фильтр для USB кабеля лучше всего выбрать с маркой HM (для кабелей со слабым магнитным полем).

Соотношение марок и частот выглядит следующим образом:

• 1000НМ — используется с кабелями, работающими с частотой не более 1 МГц,
• 1500НМ — не более 600 кГц,
• 2000НМ и 3000НМ — не свыше 450 кГц.

Как наматывать ферритовые кольца

В большинстве случаев достаточно подобрать правильный ферритовый фильтр и защелкнуть его на кабеле ближе к месту подключения к прибору.

Однако, в отдельных случаях, для увеличения импеданса можно сделать кабелем несколько витков вокруг кольца феррита и тогда импеданс будет возрастать кратно квадрату числа витков. То есть с двух витков в 4 раза, а с 3 – уже в 9 раз.

На практике, конечно, реальный показатель увеличения немного меньше теоретического.

Для того чтобы после наматывания ферритовое кольцо защелкнулось, необходимо заранее определиться с количеством витков провода и рассчитать внутренний диаметр фильтра, чтобы он закрылся, не передавив кабель.