一種屏蔽方艙用智能防電磁脈衝、抗浪湧濾波器的製造方法
2023-07-04 23:57:51
一種屏蔽方艙用智能防電磁脈衝、抗浪湧濾波器的製造方法
【專利摘要】本發明是關於一種屏蔽方艙用智能防電磁脈衝、抗浪湧濾波器，包括屏蔽盒，所述屏蔽盒內設置有屏蔽室濾波器、EMP發生器和數字示波器，所述屏蔽室濾波器的輸入端與EMP發生器相連，所述屏蔽室濾波器的輸出端與數字示波器相連，所述屏蔽室盒還設置有EMI濾波器，所述EMI濾波器內包括差模電感和共模電感，本發明的電磁脈衝濾波器，利用PSpice仿真分析了電磁脈衝濾波器的箝位特性和插入損耗，這種濾波器不需用TVS和MOV輔助元件，卻能將EMP衰減到安全的電平，使用可靠。
【專利說明】一種屏蔽方艙用智能防電磁脈衝、抗浪湧濾波器
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種濾波器，尤其涉及一種防止電磁脈衝的濾波器及其方法。
【背景技術】
[0002]高空核電磁脈衝(HEMP)、雷電電磁脈衝(LEMP)等電磁脈衝波的能量巨大，上升沿極短，頻譜分布極寬，它們通過傳導和輻射兩種方式來傳播，濾波器是抑制傳導幹擾的一種技術措施。然而，普通的濾波器不能對它們起到抑制作用，甚至會被擊壞，從而使很多電子設備不能正常工作，尤其是作為野外作戰指揮中心的方艙來說，設計出具有防電磁脈衝能力的濾波器非常必要。
[0003]大量實測和理論研究證明，發生核爆炸，特別是發生高空核爆炸時，要伴隨出現短時間(在U s數量級)強烈的電磁輻射，我們把這種特殊的電磁現象稱為電磁脈衝(EMP)。
[0004]經測算，一次十萬噸當量的高空核爆炸，所產生的全部能量約為4.2*10+15焦耳，其中，以電磁能量輻射出去的約為10+11焦耳，這是非常巨大的能量，它能使受EMP影響的邊遠地區的電子設備承受到I焦耳以上EMP能量的衝擊，遠小於I焦耳的EMP能量就足以使很多電子元件完全喪失工作能力，例如，只需2*10-5焦耳的E M P能量衝擊，便能使集成電路MC71S失效；只需2*10-7焦耳就能使微波二極體IN238燒毀，騷擾電子電路並使之不能穩定工作的EMP能量更低，例如，只需4*10-10焦耳的EMP能量，便能使SF - 50的J - K觸發器亂跳；只需2X 10-9焦耳的EMP能量便能使計算機內的FC2001存儲器取存出錯，因此，研究EMP對電子元器件和設備的損壞和它們的防護，意義十分重大。
[0005]為防止EMP對電子設備和系統的毀壞，在它們的電源線和信號線上要設置濾波器，我們把這種濾波器稱作EMP濾波器。
[0006]通過對多種EMI濾波器加載EMP信號的實驗，檢驗了瞬變抑制或壓敏電阻等輔助元件對EMP的控制能力，初步研究結果表明，精心設計的EMI濾波器，不用瞬變抑制(TVS)或壓敏電阻(MOV)之類的輔助元件，對EMP仍有很好的抑制能力。
[0007]按傳統的辦法，常規EMI濾波器添加瞬變抑制(TVS)或壓敏電阻(MOV)的電子元件，就可做成EMP濾波器，這樣的濾波器既能防護EMP對電子設備和系統，也能防護一定條件下雷電引起的破壞，如感應雷電信號，但是，這樣的濾波器所以承受的EMP能量是很有限的，對用TVS做成的濾波器，由於TVS所能承受的衝擊能量有限，遇到能量大的騷擾，會引起箝位電流急劇增大，功耗劇增，TVS就會損壞，引起EMP濾波器的失效，從而不能防護EMP對設備和系統的破壞。對MOV元件而言，它能承受的衝擊能量會比TVS大一些，可是，每經受一次EMP或雷電的衝擊，它的性能會發生下降。經受10次左右的衝擊便有可能失效，喪失對EMP和雷電的防護能力。
【發明內容】
[0008]本發明的主要目的在於，克服現有的濾波器存在的缺陷，而提供一種新型屏蔽方艙用智能防電磁脈衝、抗浪湧濾波器，所要解決的技術問題是提高設備的可靠性，抗衝擊能力強，從而更加適於實用，且具有產業上的利用價值。
[0009]本發明的目的及解決其技術問題是採用以下技術方案來實現的。依據本發明提出的一種屏蔽方艙用智能防電磁脈衝、抗浪湧濾波器，包括屏蔽盒，所述屏蔽盒內設置有屏蔽室濾波器、EMP發生器和數字示波器，所述屏蔽室濾波器的輸入端與EMP發生器相連，所述屏蔽室濾波器的輸出端與數字示波器相連，所述屏蔽室盒還設置有EMI濾波器，所述EMI濾波器內包括差模電感和共模電感。
[0010]前述的屏蔽方艙用智能防電磁脈衝、抗浪湧濾波器，所述屏蔽盒濾波器的輸入端與EMP發生器通過屏蔽電纜相連。
[0011]前述的屏蔽方艙用智能防電磁脈衝、抗浪湧濾波器，所述屏蔽盒外部設置有接地網。
[0012]前述的屏蔽方艙用智能防電磁脈衝、抗浪湧濾波器，所述屏蔽盒內與EMI濾波器相連接端設置有衰減器。
[0013]前述的屏蔽方艙用智能防電磁脈衝、抗浪湧濾波器，所述屏蔽盒內設置有電阻。
[0014]前述的屏蔽方艙用智能防電磁脈衝、抗浪湧濾波器，所述屏蔽盒內設置的電阻至少有兩個。
[0015]藉由上述技術方案，本發明屏蔽方艙用智能防電磁脈衝、抗浪湧濾波器至少具有下列優點:
[0016]本發明的電磁脈衝濾波器，利用PSpice仿真分析了電磁脈衝濾波器的箝位特性和插入損耗，這種濾波器不需用TVS和MOV輔助元件，卻能將EMP衰減到安全的電平，使用可靠。
[0017]上述說明僅是本發明技術方案的概述，為了能夠更清楚了解本發明的技術手段，並可依照說明書的內容予以實施，以下以本發明的較佳實施例詳細說明如後。
【專利附圖】
【附圖說明】
圖1為本發明的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0018]為更進一步闡述本發明為達成預定發明目的所採取的技術手段及功效，對依據本發明提出的屏蔽方艙用智能防電磁脈衝、抗浪湧濾波器其【具體實施方式】、特徵及其功效，詳細說明如後。
[0019]本發明的屏蔽方艙用智能防電磁脈衝、抗浪湧濾波器，包括屏蔽盒2，屏蔽盒2內設置有屏蔽室濾波器7、EMP發生器3和數字示波器10，屏蔽室濾波器7的輸入端與EMP發生器3通過屏蔽電纜12相連，屏蔽室濾波器7的輸出端與數字示波器10通過屏蔽電纜12相連，數字示波器10設置在屏蔽室I內，屏蔽盒2內還設置有EMI濾波器5，EMI濾波器5內包括差模電感13和共模電感14，屏蔽盒2外部設置有接地網8，屏蔽盒2內與EMI濾波器5相連接端設置有第一衰減器6，屏蔽盒2內與EMP濾波器3相連接端設置有第二衰減器11，屏蔽盒2內還設置有第一電阻4和第二電阻9。
[0020]對比實施例
[0021 ] 首先，把EMI濾波器5安置在標準規定的EMI濾波器5插入損耗測試屏蔽盒2內，用屏蔽室1，屏蔽盒2，EMP發生器3，第一電阻4，EMI濾波器5，第一衰減器6，屏蔽室濾波器7，接地網8，第二電阻9，數字示波器10，第二衰減器11，用屏蔽電纜12把被測濾波器的輸入和輸出分別與EMP發生器3和數字示波器10相連接，這樣安排是為了避免EMP發生器3產生的電磁輻射在輸入和輸出電纜上生成感應電壓，影響到測試結果。
[0022]其次，用作實驗的源是輸出幅度可達25萬伏的雙子數波形EMP發生器4，輸出EMP幅值的高低可以通過輸入電壓來控制，為了得到適合的EMP幅值作為EMI濾波器5的輸入電壓，還在EMP發生器3的輸出端，採用並接水電阻分壓的方法來進一步調控濾波器的輸入電壓。
[0023]第三，為了保證被試EMI濾波器5的輸入和輸出端電壓幅值的準確記錄，把數字示波器10放置在電磁屏蔽室I內，免除EMP發生器3產生的輻射對測量結果造成的影響，來自濾波器輸入端和輸出端的採樣信號還要通過合適的衰減器，經過穿牆波導器後接到數字示波器的輸入埠，保證記錄到的波形在示波器的量程範圍內，還用計算機對輸入和輸出端電壓幅值進行處理，然後，把輸入和輸出端波形直觀形象地展示在一幅圖形中。
[0024]把一隻普通單相250V/50HZ 60A EMI濾波器5安裝濾波器位置上，這種濾波器由共模(CM)電感、共模抑制電容(Cy)和差模抑制電容(Cx)組成，實驗時，把EMP加在輸入端的相線(L)或中線(N)端子與地(即外殼)之間，為了保證實驗準確無誤，與EMP源連接的電纜和EMI濾波器5屏蔽殼上的連接器都應採用能承受高電壓的產品，在實驗前，用I萬伏直流電壓進行檢查，無擊穿和電暈現象發生。
[0025]數字示波器10記錄到普通EMI濾波器5輸入和輸出端的波形，其輸入端的EMP幅值為1670V，輸出端波形的幅值為632V，輸入波形和輸出波形的出現時刻有明顯的延遲，從上面數據看，這種EMI濾波器5對EMP的抑制能力不理想，因為當L與地或N與地之間加上EMP後，有很大的電流流過共模電感的一組線圈，共模電感很快飽和，平衡條件破壞，電感量急劇下降，EMI濾波器的共模(CM)插入損耗大大降低，對EMP的控制能力變得很差。
[0026]另外，其輸入和輸出端子之間存在有電磁耦合，其頻率越高，這個耦合會越強。由於幾千伏的EMP信號的上升前沿僅為1ns左右，就會有能量從濾波器的輸入端直接耦合到它的輸出端。這也是它控制EMP的能力變得十分差的原因之一，顯然，它不能同時實現控制EMI和EMP的任務。
[0027]實施例1
[0028]在分析用普通EMI濾波器加載EMP所作試驗的結果後，我們改進設計，研製了一種單相250V/50Hz、60A的EMI濾波器5。
[0029]這是一種含有差模電感13和共模電感14的多級EMI濾波器5，Cy電容器採用穿心式電容器，按上述EMI濾波器5的安裝和加載EMP的方法進行實驗,並把輸入端和輸出端的波形送到計算機進行處理，使能在同一幅圖裡把它們的波形進行比較。
[0030]當輸入EMP幅值為3500V時，濾波器輸出的幅值為320V，顯而易見，它控制EMP的能力優於普通EMI濾波器5，這是因為特殊研製的差模電感過負載能力強，電感磁芯不易飽和，使濾波器低端的插入損耗明顯改善。在無需加入TVS和MOV元件的條件下，就能實現對EMP信號的良好控制。這正是用戶所要求的EMP濾波器。
[0031]實驗時，其輸入和輸出端子之間存在有電磁耦合，降低了對EMP的衰減，可以在使用安裝時設法改善，例如，利用設備或系統已有的屏蔽，把濾波器的輸入和輸出端子隔離開，使它們之間的電磁耦合被控制到最小，這就是一種易行有效的方法。
[0032]由此使我們想到，有各式各樣的穿心電容器廣泛用於通訊、導航、雷達、航空航天、艦船、坦克、方艙等電子設備和系統中，在應用中的明顯特點是穿心電容器的外殼有機地與設備或系統的屏蔽融為一體，使濾波器的輸入和輸出端子之間的電磁隔離良好，那麼，它們控制EMP的能力如何
[0033]為了弄清這個問題，我們選了兩種結構相同而參數不同的穿心式濾波器進行控制EMP的試驗，這種安裝方法如實地反映了實際應用情況，雖然EMI濾波器5已能把EMP信號控制到用戶要求的水平，是否還有能更好控制EMP信號的濾波器它們的分布參數，即分布電感和分布電容是大致相同的，它們間的主要差別是兩端集中參數電容器的容量不同，A組參數時為2 X IuF ;B組參數時為2X4.7uF, 二者的插入損耗特性B組參數濾波器低頻端的插入損耗比A組參數的好很多，上面的實驗結果十分明顯地說明，其穿心電容器的電容量越大，其控制EMP的能力就越強，這是因為當EMP這樣快速瞬變的信號加在濾波器輸入端的電容器上後，電容器上的電壓是不會立刻跟著變化的，其電壓的變化要遵循下面的規律，即Λ V= Λ Q/C, Λ V為電容器電壓的變化率，Λ Q為電容器上電荷的變化率，Δ Q是一個常數，試驗B組參數記錄為7440V時，測得的輸出幅度為100V，從上式不難看出，比輸入幅度降低了 74.4倍，因此，容量越大，電壓的變化，即Λ V就會越小，這就是為什麼B組參數濾波器對EMP的控制能力比A組參數好的原因。
[0034]按傳統概念，任何超過濾波器擊穿電壓的試驗都是嚴格禁止的，因為它會招致濾波器的擊穿損壞，我們在研究了這種濾波器的結構和參數，分析EMP信號的特性後，多次加載後除中心導體的直徑稍有不同外，濾波器的參數沒有觀察到明顯變化，EMP的幅值為6912V時，其輸出幅值為300V，輸出波形明顯延遲，且持續時間比輸入波形展寬了很多，若僅考察幅度的變化，已達到了 23倍以上的衰減，可見它對EMP的抑制能力很好。
[0035]1.本發明在不使用MOV和TVS元件的條件下，設計得好的EMI濾波器5同樣既能控制ΕΜΙ，又能把EMP的幹擾幅度控制到很低的電平，滿足有關設備和系統的要求。
[0036]2.在對穿心式濾波器進行EMP試驗和分析中證實，可以加載比其擊穿電壓高很多的EMP幅值而不會損壞任何參數，這是我們在實踐中的發現，從而改寫了不能加載超過試驗電壓幅度的EMP信號的傳統概念，在應用條件允許用大容量的穿心濾波器時，可以把EMP控制到相當低的電平。
[0037]3.在實用中，要注意濾波器的安裝、電纜的敷設和接地。
[0038]以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，並非對本發明作任何形式上的限制，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然而並非用以限定本發明，任何熟悉本專業的技術人員，在不脫離本發明技術方案範圍內，當可利用上述揭示的技術內容做出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬於本發明技術方案的範圍內。
【權利要求】
1.一種屏蔽方艙用智能防電磁脈衝、抗浪湧濾波器，包括屏蔽盒，所述屏蔽盒內設置有屏蔽室濾波器、EMP發生器和數字示波器，所述屏蔽室濾波器的輸入端與EMP發生器相連，所述屏蔽室濾波器的輸出端與數字示波器相連，其特徵在於:所述屏蔽室盒還設置有EMI濾波器，所述EMI濾波器內包括差模電感和共模電感。
2.根據權利要求1所述的屏蔽方艙用智能防電磁脈衝、抗浪湧濾波器，其特徵在於:所述屏蔽盒濾波器的輸入端與EMP發生器通過屏蔽電纜相連。
3.根據權利要求1所述的屏蔽方艙用智能防電磁脈衝、抗浪湧濾波器，其特徵在於:所述屏蔽盒外部設置有接地網。
4.根據權利要求1所述的屏蔽方艙用智能防電磁脈衝、抗浪湧濾波器，其特徵在於:所述屏蔽盒內與EMI濾波器相連接端設置有衰減器。
5.根據權利要求1所述的屏蔽方艙用智能防電磁脈衝、抗浪湧濾波器，其特徵在於:所述屏蔽盒內設置有電阻。
6.根據權利要求5所述的屏蔽方艙用智能防電磁脈衝、抗浪湧濾波器，其特徵在於:所述屏蔽盒內設置的電阻至少有兩個。
【文檔編號】H03H7/01GK104038174SQ201310069068
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2013年3月5日 優先權日:2013年3月5日
【發明者】李向東 申請人:常州安盾智能化工程有限公司