Для чего нужен ферритовый фильтр на кабеле

InfoConnector.ru

Каждый из нас видел на шнурах питания или на кабелях согласования электронных устройств небольшие цилиндры. Их можно встретить на самых обычных компьютерных системах в офисе и дома, на концах проводов, которые соединяют системный блок с клавиатурой, мышью, монитором, принтером, сканером и т. д. Данный элемент называется “ферритовое кольцо”. В этой статье мы разберемся, с какой целью производители компьютерной и высокочастотной техники оснащают свою кабельною продукцию этими элементами.

Для чего нужен ферритовый фильтр или кольцо на кабеле

Вы наверное замечали и не раз, что на проводах от ноутбука, монитора и иной электронной техники встречаются непонятные утолщения в виде цилиндра. Это сделано не просто так или для красоты. Дело в том, что пластиковый цилиндр — это специальный ферритовый фильтр. В народе его часто называют, как фильтр для подавления высокочастотных помех или проще — «шумовой» фильтр. Зачем и для чего он нужен?

Дело в том, что любое устройство, подключенное к электрической сети, является источником электромагнитных волн, которые являются, в свою очередь, высокочастотными помехами, влияющими на работу других устройств, находящихся поблизости. Длинные внешние силовые и интерфейсные кабели работают как своего рода антенны, которых довольно-таки сильно излучают во внешнюю среду помехи, которые создаются аппаратурой при работе. Это может сильно влиять на работу беспроводных сетей WiFi, радиоаппаратуры и точных приборов.Чтобы этого не происходило, кабель надо экранировать. Но тогда значительно подскочит его цена! На помощь пришли ферритовое кольцо и фильтры из этого материала.

Что за круглая штука на проводе, и для чего она нужна?

Отличается ли чем-то обычный кабель от кабеля с таким черным цилиндром? Спойлер: да.

Вы, наверное, не раз замечали их на концах USB- и HDMI-кабелей. Что это за цилиндры на проводах? Ответ — ферритовые фильтры. Что это такое и зачем это нужно, мы сейчас расскажем.

Резиновый цилиндр на кабеле – что это?

Сегодня у потребителей появилось множество высокочастотной техники. Чем выше частота, тем быстрее и продуктивнее происходит обработка информации.

Токи высокой частоты накладывают техограничения на соединительные провода, что связано с электромагнитным излучением. Чтобы увеличить их возможности, используются дополнительные фильтры.

Ферритовое кольцо – что это такое? Как сделать ферритовое кольцо своими руками?

Каждый из нас видел на шнурах питания или на кабелях согласования электронных устройств небольшие цилиндры. Их можно встретить на самых обычных компьютерных системах, как в офисе, так и дома, на концах проводов, которые соединяют системный блок с клавиатурой, мышью, монитором, принтером, сканером и т. д. Данный элемент носит название “ферритовое кольцо” (или ферритовый фильтр). В этой статье мы разберемся, с какой целью производители компьютерной и высокочастотной техники оснащают свою кабельною продукцию упомянутыми элементами.

Как устроен и работает этот фильтр

Как известно, у ферритовых фильтров может быть разная форма и разное исполнение. Однако всех их объединяет одно и то же назначение. Они защищают электронное оборудование от помех высокой частоты на всем протяжении информационного кабеля.

Полезный сигнал по одному проводу идет в одну сторону. По другому проводу полезный сигнал идет в обратную сторону. В результате магнитные поля полезных сигналов взаимовычитаются. И индуктивное сопротивление для полезного сигнала равняется нулю.

Помехи «наводятся» и в одном, и в другом сигнальном проводе с одинаковой фазой. При прохождении их через ферритовый цилиндр магнитные поля данных помех складываются. Общее магнитное поле становится больше. Возникает большое индуктивное сопротивление. Именно оно и делает помехи намного слабее.

ВАЖНО! Как правило, установка фильтров осуществляется на расстоянии 30 мм от того края провода, который направляется в электронный девайс , который имеет защиту от помех.

Феррофильтры: как кабели «выпускают пар»

Цилиндр на конце кабеля заполнен кусочками феррита. Благодаря своим уникальным свойствам это вещество способно захватывать электромагнитное поле и превращать его в тепло, которое потом рассеивается.

Таким образом, феррофильтр устраняет лишнее электромагнитное поле, генерируемое кабелем. А это помогает убрать шумовые помехи в кабеле и повысить качество электрического сигнала — что очень важно для стабильной передачи данных.

Поэтому ферритовые фильтры устанавливаются на всех дата-кабелях — к которым как раз относятся USB и HDMI.

Основное назначение

Ферритовое кольцо способно снижать влияние радиочастотных и электромагнитных помех на сигнал, который передается по проводу. Длинные сигнальные и силовые кабели как компьютерного, так и другого силового оборудования обладают паразитными свойствами, то есть работают как антенны. Они весьма эффективно излучают во внешнюю среду различные шумы, которые создаются внутри прибора, тем самым создавая помехи на радиостанциях при приеме радиосигнала и на другом электронном оборудовании. И наоборот, принимая помехи из эфира от радиопередающих устройств, компьютер или иной электронный прибор может давать сбои в работе. Вот для устранения этого явления и используют ферритовое кольцо, надетое на питающий или согласующий кабель.

One thought on “ Для чего нужен ферритовый фильтр или кольцо на кабеле ”

О том, что бочонки на конце питающих кабелей – это фильтры от помех, я догадывался и ранее. Но устройство их представлял как катушки индуктивности, возможно дополненные какими-то микросхемами. В этом я ещё больше уверился, когда блок зарядки для компьютера вдруг перестал заряжать, хотя напряжение на выходе его присутствовало. Разбираться в причинах было некогда, и я купил новый блок (с новым бочонком).
Будучи обременён инженерным образованием, я в конце-концов решил разобраться в причинах неисправности. Замеры напряжения после бочонка показали пониженное (в районе 17 вольт) значение, в то время как на выходе схемы старой зарядки (т.е. на входе бочонка) чётко фиксировалось 19,2 В. Кроме того, напряжение после бочонка (даже без нагрузки) «гуляло» на глазах, показывая то больше 17-ти , то меньше. «Так, зарядное устройство исправно, а в этом бочонке скрыт нелинейный неисправный элемент, который понижает напряжение зарядки больше допустимого» – подумал я. Руководствуясь этой мыслью, я от старой зарядки отрезал бочонок вместе со штекером и вместо этого надставил старый шнур новым шнуром с новым бочонком и штекером. Так теперь мой компьютер и работает (а новое зарядное устройство с обрезанным кабелем пылится на полке).
Каково же было моё удивление, когда я распотрошил старый (неисправный?) бочонок со штекером и не нашёл там ничего, кроме ферритовой втулки! Более того, я обнаружил, что плюсовой проводник в старой зарядке находился полностью внутри окутывавшего его минусового проводника, т.е. был полностью экранирован, и взаимодействие с ферритовым фильтром, таким образом, сводилось к нулю. Другими словами, помехи за счёт антенного эффекта в комп не проникали из-за экранирования, зато производимым зарядным устройством помехам ничто не препятствовало проникать в компьютер по активному проводнику.
Так что же приводило к понижению и прыганию напряжения на штекере зарядного устройства? Кто возьмётся объяснить?

Что будет, если снять ферритовый фильтр?

Если из любопытства вы попробуете снять с кабеля ферритовый цилиндр, то ждите ухудшения качества сигнала. Без устранения шумовых помех в кабеле данные могут теряться.

Например, видео, передающееся на телевизор по HDMI-кабелю, будет пропадать. Но только в том случае, если феррофильтр — единственная защита кабеля от шумов. Это обычное дело для старых или недорогих кабелей (на которых обычно и можно увидеть цилиндры).

Более качественные кабели (например, оригинальный USB, поставляющийся с вашим смартфоном) защищены при помощи экранирования. Внутри кабеля медный провод покрыт специальной оплеткой, выступает в роли экрана шумов.

Конструкция фильтра

Чаще всего электронщики и радиолюбители применяют фильтры в форме цилиндров или прямоугольников. Они выпускаются с защелками, которые позволяют снимать их с кабеля, или цельнолитыми. Применяются они для повышения фильтрации высокочастотных помех на соединительных шнурах. В месте установления цилиндра в шнуре увеличивается индуктивность в сотни раз.

Цилиндрический

Цилиндрик – это ферритовое устройство удлиненной формы, которое при изготовлении устанавливается производителем на силовые и соединительные кабели. Они снижают помехи излучения шнура на приборах, издающих шум. Кабель выступает в роли антенны и создает вокруг себя излучение в сотни МГц. Цилиндрики устанавливают с одной стороны провода от источника излучения или с 2 сторон. Установка цилиндров на провода – это не панацея от высокочастотных помех. Идеальное решение – это встроенные фильтры в электронном устройстве.

Если все же у вас провод без необходимого подавления высокочастотного магнитного излучения, тогда съемный цилиндр с никель-цинковым типом феррита необходим.

В форме кольца

Импеданс катушки, который образуют витки кабеля, пропущенного сквозь кольцо из феррита, мал для сигналов на низкочастотных линиях и велик для высокочастотных импульсов. Частотный диапазон зависит от количества витков, размеров и материала, из которого изготовлено кольцо. Помехи, которые идут по проводу через кольцо, затухают. Показатель затухания – 10–15 дБ. Для удобства монтажа приспособления изготавливают из 2 полуколец в пластиковом корпусе со встроенной защелкой. Такая конструкция позволяет установить кольцо на провод за пару минут.

В электронике кольца можно применять:

• в цепях связи и питания;
• в проводах передачи логических сигналов.

Для повышения импеданса нужно сделать несколько витков провода вокруг устройства.

Импеданс возрастает в квадрате – 2 витка – в 4 раза, 3 витка – в 9 раз, а 4 витка – в 16 раз.

Необходимо кабель наматывать так, чтобы кольцо нормально защелкнулось и не продавило его стенки. Нужно заранее рассчитывать витки и приобретать приспособление с необходимым размером внутреннего диаметра.

Преимущества и недостатки

Феррит состоит из соединения оксидов металлов. В соединения входят – железо, никель, цинк и другие оксиды металлов, которые обладают низкой электрической проводимостью, а также магнитными свойствами. У ферритов нет конкурентов среди материалов с магнитными показателями, которые поглощают высокочастотные помехи.

Ферритовое устройство на однофазном шнуре:

• возвращает часть волны обратно в проводку;
• поглощает волны, рассеивая их в феррите.

На многожильном кабеле в процессе фильтрации проходит противофазный импульс (полезный информационный импульс) и отражаются помехи. Устанавливают приспособления на кабели питания, видео, аудио, USB.

Чтобы избежать некорректной передачи данных, нужно использовать высокочастотные ферроматериалы и не устанавливать поглощающий волны тип устройства.

Физические свойства

Феррит является ферримагнетиком, не проводящим электрический ток, то есть по сути это магнитный изолятор. В этом материале не создаются вихревые токи, и поэтому он весьма быстро перемагничивается – в такт частоте внешних электромагнитных полей. Это свойство материала является основой для эффективной защиты электронных приборов. Ферритовое кольцо, надетое на кабель, способно создать для синфазных токов большой активный импеданс.

Данный материал образуется из химического соединения оксидов железа с оксидами других металлов. Он обладает уникальными магнитными характеристиками и низкой электропроводностью. Благодаря этому ферриты практически не имеют конкурентов среди иных магнитных материалов в высокочастотной технике. Ферритовые кольца 2000нм значительно увеличивают индуктивность кабеля (в несколько сотен или тысяч раз), что обеспечивает подавление высокочастотных помех. Данный элемент устанавливается на шнур при его производстве либо, разрезанный на две полуокружности, надевается на провод сразу после его изготовления. Ферритовый фильтр упаковывается в пластиковый корпус. Если его разрезать, то можно увидеть внутри кусок металла.

Пошаговое применение

Съемный цилиндр необходимо раскрыть и установить в него шнур, который нужно защитить от помех электромагнитного излучения. Приспособление из феррита устанавливается на 3 см выше наконечника провода.

Устройство закрыть и пластиковые замки на корпусе защелкнутся. Для большей надежности можно установить второй фильтр на другом конце соединительного шнура.

Если шнур вставляется в центр кольца – это одновитковая катушка, а если несколько витков вокруг кольца – это тороидальная обмотка. Данная методика эффективнее одновитковой катушки.

Чтобы подобрать ферритовое устройство, необходимо знать состав ферроматериала и его показатели, габариты данного устройства и параметры высокочастотного излучения прибора.

Применение [ править | править код ]

Ферритовые фильтры используются как на сигнальных проводах для ослабления внешних помех, так и на проводах питания для уменьшения создаваемых ими помех.

Раскрытый ферритовый цилиндр надевается на кабель, который необходимо защитить от электромагнитных помех и наводок, примерно в 3 см от наконечника кабеля. Обе ферритовые части смыкаются, после этого замки на пластмассовой оболочке защелкиваются. Для надежности можно оснастить ферритовым цилиндром и другой конец кабеля.

Фильтры применяют в монтаже охранной сигнализации, когда приёмно-контрольные приборы (ППКОП) создают наводки в шлейфах при передаче сигнала[1].

А нужен ли ферритовый фильтр? Или это очередной обман?

Компьютеры являются весьма «шумными» (в электромагнитном плане) приборами. Так, материнская плата внутри системного блока способна осциллировать на частоте одного килогерца. Клавиатура обладает микрочипом, который также работает на высокой частоте. Все это приводит к так называемой генерации радиошумов вблизи системы. В большинстве случаев они устраняются при помощи экранирования платы от электромагнитных полей металлическим корпусом. Однако другой источник шумов – это медные провода, которые соединяют различные устройства. По сути, они действуют как длинные антенны, которые улавливают сигналы от кабелей другой радио- и телевизионной техники, и влияют на работу «своего» прибора. Ферритовый фильтр устраняет электромагнитные шумы и сигналы эфирного вещания. Эти элементы преобразуют электромагнитные высокочастотные колебания в тепловую энергию. Вот поэтому их и устанавливают на концах большинства кабелей.

Что за материал – феррит?

Ферритом называют соединения, в основе которых оксид железа и оксиды других металлов. В ферритах совмещены свойства ферромагнетиков и полупроводников. В некоторых случаях и диэлектриков. Вот почему они применяются как сердечники катушек, постоянные магниты. Они же являются поглотителями электромагнитных волн высоких частот и пр.

У данного материала высокая магнитная проницаемость. Однако при этом он не проводит электрический ток. Данный материал делают из порошков оксида железа.

Данные фильтры – отличная защита от внешних электромагнитных полей высокой частоты. Они иногда появляются из-за того, что работают мобильные телефоны, печи СВЧ, импульсные блоки питания и электронная аппаратура.

Ферритовые цилиндры

Наиболее эффективно справляются с помехами толстые ферритовые цилиндры. Однако следует учитывать, что слишком громоздкие фильтры весьма неудобны в использовании, а результаты их работы едва ли на практике будет сильно отличаться от немного меньших по размерам. Всегда следует использовать фильтры оптимальных габаритов: внутренний диаметр в идеале должен совпадать с проводом, а его ширина должна соответствовать ширине разъема кабеля.

Не стоит также забывать, что с шумами помогают бороться не только ферритовые фильтры. Например, для лучшей проводимости рекомендуется использовать кабеля с большим сечением. Выбирая длину шнура, не стоит делать большой запас длины между подключаемыми устройствами. Кроме того, источником помех может служить и плохое качество соединения провода и разъема.

Заключение

Тем, кто интересуется, как намотать ферритовое кольцо самостоятельно, следует учитывать, что последовательный импеданс, который вносится высокочастотным ферритовым сердечником, запросто можно увеличить, если сделать на нем несколько витков проводника. Как подсказывает теория электротехники, импеданс подобной системы будет увеличиваться пропорционально квадрату числа витков. Но это в теории, а на практике картина несколько отличается вследствие нелинейности ферромагнитных материалов и потерь в них.

Пара витков на сердечнике увеличивает импеданс не в четыре раза, как должно быть, а немного меньше. В результате для того чтобы несколько витков смогли поместиться в кабельном фильтре, следует выбирать кольцо заведомо большего типоразмера. Если же это неприемлемо, и провод должен оставаться той же длины, лучше применять несколько фильтров.

Маркировка ферритовых колец

Наиболее широко распространенный тип записи маркирования ферритовых колец имеет следующий вид: К Д×д×Н, где:

– К – это сокращение от слова «кольцо»;

– Д – внешний диаметр изделия;

– д – внутренний диаметр ферритового кольца;

– Н – высота фильтра.

Кроме габаритных размеров изделия, в маркировке зашифрован тип ферромагнитного материала. Пример записи может иметь следующий вид: М20ВН-1 К 4х2,5х1,6. Вторая половина соответствует габаритным размерам кольца, а в первой зашифрована начальная магнитная проницаемость (20 μi). Кроме указанных параметров, в справочном описании каждый производитель указывает критическую частоту, параметры петли гистерезиса, удельное сопротивление и температуру Кюри для конкретного изделия.

Как еще используют ферритовые кольца

Кроме общеизвестного применения в качестве высокочастотной защиты, ферромагнитные материалы используются для изготовления трансформаторов. Их часто можно увидеть в блоках питания компьютерной техники. Общеизвестно, что трансформатор на ферритовом кольце весьма эффективен в балансных смесителях. Однако не всем известно, что существует возможность «растягивания» балансировки. Данная модификация трансформатора способна выполнять операцию балансирования более точно. Кроме того, широко применяются трансформаторы на ферритовых кольцах для согласования выходных и входных сопротивлений каскадов транзисторных устройств. При этом трансформируются активное и реактивное сопротивления. Благодаря последнему это устройство можно применить для изменения диапазонов перестройки емкости. «Растягивающие» трансформаторы хорошо работают при частотах ниже 10 МГц.