Электромеханические фильтры

Принцип работы
Конструкция
Система обозначений

2Г2.140.417-001
ФЭМ-500-0,6С
ФЭМ-035-500-0,5
ФЭМ1-25Т
ФЭМ1-038-128-1С-3В
ФЭМ3-043-003
ФЭМ4-008-305-1,1С-2
ФЭМ-11-Н-031 (ЭМФП ШИ2.067-814.031)
ФЭМ-I-Т-1-1343
ФЭМЦ-1М
ФЭМЦ-2М
ФЭМЦ-2МА
ФЭМЦ-120-1,0
ФЭМЦ-307,9Т
Э3-155
ЭМФ-Д-500-3В
ЭМФП-6-465-6 "Надежда"
ЭМФЦ-301,4-0,8-3

Первые работы по электромеханическим фильтрам в СССР проводились конструкторским отделом Московского НИИ радиосвязи в середине пятидесятых. Руководил темой Константин Александрович Шульгин, основными разработчиками были Лев Хатунцев и Вeлиор Кустов. По их чертежам первые серийные экземпляры делались на ленинградском заводе им. Козицкого.

Впрочем надо отметить, что первый отечественный фильтр, а именно ЭМФ-Д-500, и по конструкции, и по параметрам сильно похож на первые западные ЭМФ от Артура Коллинза, появившиеся в 1952 году. И есть немалая вероятность, что наш начальный этап был лишь копированием...

В электромеханических фильтрах промежуточной частоты применяли магнитострикционные преобразователи, принцип действия которых основан на изменении формы и размеров ферромагнитных тел при их намагничивании. В качестве таких преобразователей обычно использовали никель, или сплавы никеля с железом (температурный коэффициент которых практически равен нулю) и другими металлами, или магнитострикционные ферриты.

При возбуждении магнитного поля вдоль стержня из магнитострикционного материала длина стержня изменяется. При увеличении длины стержня под воздействием магнитного поля имеет место так называемая положительная магнитострикция, а при уменьшении длины — отрицательная. Знак приращения длины стержня не зависит от направления магнитного поля, но зависит от состава ферромагнитного тела. Поэтому в стержне необходимо создавать дополнительное постоянное магнитное поле, чтобы колебания стержня не происходили с двойной частотой. 
Наряду со свойством прямой магнитострикции ферромагнитный стержень обладает свойством обратной магнитострикции, т. е. под действием внешней силы, изменяющей длину стержня, в нем возникает продольное магнитное поле.

Относительное изменение длины никелевого стержня измеряется величинами порядка 10-5.
Изменение длины стержня из никеля ослабевает при напряженности поля около 500 эрс. Начальный изгиб характеристики магнитострикции никеля занимает примерно 0,1 — 0,3 эрс. Магнитострикционными свойствами обладают также и некоторые сорта пермаллоя.

Если рядом со стержнем (1), выполненным из материала с сильно выраженными магнитострикционными свойствами, например из феррита, поместить магнит смещения (4) и на концы стержня надеть возбуждающую катушку (2) и катушку, снимающую колебания (3), то получим магнитострикционный фильтр (в его конструкцию также обычно входят экран (5) и элементы крепления (6)).
Под воздействием переменного магнитного поля возбуждающей катушки стержень начинает периодически изменять свою длину. При совпадении частоты внешнего магнитного поля с собственной частотой стержня амплитуда механических колебаний резко возрастает. Здесь ферритовый стержень действует как механический резонатор с добротностью около 1 000. За счет обратной магнитострикции резонирующий стержень создает переменное магнитное поле во второй катушке, на зажимах которой возникает эдс, по частоте совпадающая с резонансной частотой стержня.

Включать ЭМФ следует таким образом, чтобы через катушку преобразователя не протекала постоянная составляющая анодного или коллекторного тока усилителя, нагрузкой которого является ЭМФ. В противном случае создается дополнительное магнитное поле, которое приводит к увеличению затухания и повышению неравномерности частотной характеристики в полосе пропускания фильтра. Аналогичное действие на ЭМФ оказывает внешнее магнитное поле, поэтому не следует размещать фильтры вплотную друг к другу и близко к громкоговорителям, магнитоэлектрическим измерительным приборам и т. п., в противном случае ЭМФ следует заэкранировать.

Электромагнитные фильтры относительно стабильны, имеют малые размеры, добротность их достигает 2000 - 3000, а при использовании в качестве материала резонаторов алюминия или его сплавов - 6000 - 10000 (однако при этом требуется очень высокая точность изготовления механических деталей). Обычно такие фильтры рассчитаны на работу в температурном диапазоне -30...+80°С.

К недостаткам можно отнести сравнительно узкий диапазон частот (от 100 до 1 000 кГц), для работы в котором получаются относительно легко реализуемые геометрические размеры резонаторов, и сложность технологии изготовления.

Специфика настройки электромеханических фильтров с монолитной колебательной системой предполагает большие затраты ручного труда квалифицированных специалистов, поэтому производимые изделия не могут быть дешёвыми. Механизации и автоматизации процесс настройки не поддаётся, каждый фильтр проходит полный цикл настройки путём ручного припиливания, перемежающегося с измерением характеристик на спецтехнологическом оборудовании.

Существенными недостатками магнитострикционных фильтров являются большое затухание и его значительная неравномерность в полосе прозрачности и большая температурная зависимость характеристики затухания.

Конструктивно ЭМФ могут быть разного типа - стержневые, дисковые, пластинчатые, шариковые и другие варианты. Стержневые фильтры наиболее технологичны и просты по конструкции, они не боятся транспортной тряски и других механических воздействий, что делает возможным их использование в бортовой аппаратуре (у других видов фильтров в условиях тряски возникают виброшумы, уровень которых затрудняет или исключает возможность использования ЭМФ).

Электромеханические фильтры, как правило, изготавливаются многоэлементными для расширения полосы пропускания и увеличения избирательности, так как простейший одноэлементный фильтр эквивалентен одному контуру. Применяя различное количество элементов, можно изменять крутизну характеристики затухания.

конструкция семирезонаторного стержневого фильтра:

Фильтр состоит из пяти металлических полуволновых резонаторов (5) большой добротности, соединенных связками (4); резонаторы и связки вытачиваются из цельного материала. Концевые ферритовые резонаторы (3) являются сердечниками магнитострикционных преобразователей: возбуждающего колебания (2) и снимающего их (6). Постоянные магниты (1) (магниты смещения) устраняют колебания с двойной частотой и повышают чувствительность преобразователей.

конструкция семидискового фильтра:

(1) - преобразователь; (2) - катушка; (3) - магнит; (4) - резонаторы; (5) - связки; (6) - направление колебаний


(фото с форума "Портативного ретрорадио")

механическая резонаторная система пятипластинчатого фильтра:

(3) - концевые магнитострикционные ферриты; (4) - связки; (5) - полуволновые резонаторные пластины

Первая система обозначений фильтров (пример - ЭМФ-9Д-500-3В), принятая в 50-х годах, включала в себя элементы:

(1) ЭМФ - ЭлектроМеханический Фильтр
(2) число резонаторов фильтра
(3) буква, обозначающая конструктивно-техническое исполнение
- Д - дисковый
- П - пластинчатый
- Ц - цилиндрический
(4) число, обозначающее рабочую частоту фильтра в кГц
(5) число, обозначающее ширину полосы пропускания в кГц
(6) буква, обозначающее функциональное назначение фильтра
- С - полосовой (с симметричной характеристикой затухания)
- В - с верхней боковой полосой пропускания
- Н - с нижней боковой полосой пропускания

Чуть позже в обозначении поменяли местами второй и третий пункт (ЭМФП-5-465-6). Выпускались также фильтры с нестандартными названиями, например ФЭМЦ-2М.

Позднее была принята иная система (ФЭМ1-12-320-2С-3В). Она состояла из элементов:

(1) ФЭМ - Фильтр ЭлектроМеханический
(2) цифра, обозначающая конструктивно-техническое исполнение
- 1 - гантельный
- 2 - дисковый
- 3 - камертонный
- 4 - пластинчатый
- 5 - цилиндрический
(3) регистрационный номер фильтра (номер разработки)
(4) число, обозначающее номинальную частоту фильтра в кГц
(5) число, обозначающее ширину полосы пропускания по уровню -3 дБ, в кГц
(6) буква, обозначающее функциональное назначение фильтра
- С - полосовой (с симметричной характеристикой затухания)
- В - верхней боковой полосы
- Н - нижней боковой полосы
(7) цифра, обозначающая вид преобразователя
- 1 - электромагнитный
- 2 - пьезокерамический
- 3 - магнитострикционный
- 4 - комбинированный
(8) буква В - всеклиматическое исполнение

2Г2.140.417-001

Электромеханический фильтр с неизвестными параметрами. Полагаю, многорезонаторный, дисковой или гантельной конструкции.

Производитель - Томский завод измерительной аппаратуры.

ФЭМ-500-0,6С

Электромеханический фильтр классического исполнения, с центральной частотой 500 кГц и шириной симметричной полосы пропускания 600 Гц (по уровню -3 дБ). Его обозначение и устаревшая конструкция с крючковыми выводами намекает на древнюю историю; разработан он явно не позднее 60-х годов.

Эти ЭМФ широко использовались в радиолюбительской практике и, в частности, входили в состав набора для радиолюбителей "Кварц-9".

Производитель фильтра - Алчевский завод "КРАТОН" (бывший Коммунарский электромеханический завод, в настоящее время не работающий), а разработчиком было, скорее всего, научно-исследовательское отделение при зеленоградском заводе "Пьезоэлемент" (позднее ставшее НИИ "Элпа").

ФЭМ-035-500-0,5

Производитель - Алчевский завод "КРАТОН" (бывший Коммунарский электромеханический завод, в настоящее время не работающий).

Электрические параметры

Центральная частота 500+0,2 кГц
Ширина полосы пропускания 0,5 кГц
Затухание в полосе пропускания не более 3 дБ
Номинальное входное/выходное сопротивление 75 кОм +10%
Емкость настройки входного/выходного преобразователей 50...120 пФ

ФЭМ1-25Т

Никаких данных на этот цилиндрический ЭМФ нет...

Производитель - завод "Метеорит" при НИИ "Фонон".

ФЭМ1-038-128-1С-3В

Электромеханический полосовой фильтр гантельного типа с магнитострикционными преобразователями. Справочный лист на него.

Производитель - Алчевский завод "КРАТОН" (бывший Коммунарский электромеханический завод, в настоящее время не работающий).

Электрические параметры

Центральная частота 128+0,2 кГц
Ширина полосы пропускания 1 кГц
Затухание в полосе пропускания не более 3 дБ
Затухание при расстройке +10 кГц не менее 60 дБ
Номинальное входное/выходное сопротивление 7,5 кОм +10%

Выводы защищены гибкими резиновыми колпачками:

ФЭМ3-043-003

На этот фильтр данных у меня маловато. Номинальная частота 1450 Гц, ширина полосы пропускания 16-34 Гц. Судя по названию - камертонной конструкции, с пьезопреобразователями. Применялись в милицейских рациях "Волна". Производитель - Алчевский завод "КРАТОН" (бывший Коммунарский электромеханический завод, в настоящее время не работающий).

ФЭМ4-008-305-1,1С-2

Пластинчатый электромеханический полосовой фильтр с пьезокерамическими преобразователями. Справочный лист на него. Производитель - Алчевский завод "КРАТОН" (бывший Коммунарский электромеханический завод, в настоящее время не работающий).

Электрические параметры

Центральная частота 305+0,06 кГц
Ширина полосы пропускания 1,1+0,12 кГц
Затухание в полосе пропускания не более 3 дБ
Затухание при расстройке +10 кГц не менее 55 дБ
Входное напряжение не более 1 В
Номинальное входное/выходное сопротивление 5,1 кОм +10%
Емкость настройки входного/выходного преобразователей не более 50 пФ

ФЭМ-11-Н-031 (ЭМФП ШИ2.067-814.031)

Интересный низкочастотный фильтр, с камертонными резонаторами.

Двойственность названия вызвана тем, что на самом фильтре написано одно (возможно, это сокращенный вариант), а в паспорте другое. Ошибка исключена, фильтры с паспортами - из заводской упаковки.

В справочниках таковых не числится. Если бы не паспорт, то и найти какие-либо данные было бы трудновато...

Производитель - ОАО "Пьезо", г.Москва.

Применялись в системе частотного разделения каналов дистанционного управления/контроля курсовых и глиссадных радиомаяков системы СП-75.

Электрические параметры

Центральная частота 2056,5 Гц
Ширина полосы пропускания 15 Гц
Затухание в полосе пропускания 9,9 дБ
Затухание при расстройке +34 Гц 24,7 дБ


(фото с форума Портативное ретрорадио)

ФЭМ-I-Т-1-1343

Да-да, это тоже ЭМФ! хотя и совершенно необычного для этих изделий исполнения.

Эти фильтры применялись в железнодорожных радиостанциях для выделения тонального сигнала частотой 1343 Гц. Полоса пропускания у них порядка 1 Гц.

Вот что пишут про их конструкцию - внутри на стойках находится прямоугольная металлическая пластина с отверстиями в виде цифры "восьмёрки"; толщина пластины около 3 мм. Т.е. получается, это камертонный фильтр.

Производитель его неизвестен.

ФЭМЦ-1М


(фото Сергея Метик)

Никаких данных на этот ЭМФ нет, измеренная частота составляет около 300 кГц.

Производитель - 2-й Московский завод радиодеталей (более известный, как завод "Метеорит" при НИИ "Фонон").

ФЭМЦ-2М

Про этот электромеханический фильтр на цилиндрических резонаторах ничего не известно, и даже название не помогает. Судя по упоминаниям в интернете, центральная частота у него лежит в районе 300 кГц...

Производитель - не самый частый для ЭМФ, московский НИИ Радиокомпонентов.

ФЭМЦ-2МА

Опять же, про этот ЭМФ решительно ничего не известно. И чем он, спрашивается, отличается от "обычного" ФЭМЦ-2М ?

Производитель - 2-й Московский завод радиодеталей.

Душу коллекционера, конечно, греет категория "ОПЫТНЫЙ"...

ФЭМЦ-120-1,0

Электромеханический полосовой фильтр, состоящий из трёх цилиндрических резонаторов; центральная частота 120 кГц, ширина полосы 1 кГц. Упоминания в справочниках о таком я не нашёл.

Производитель - московский НИИ Радиокомпонентов.

Внутри - вполне классическая конструкция :

С торцов на цилиндры из магнитострикционного материала надеты катушки.

Резонаторы, вместе с центральной осью, выточены из единого куска.

На крайние резонаторы напрессованы шайбы, для крепления в корпусе:

ФЭМЦ-307,9Т

Старенький электромеханический фильтр на цилиндрических резонаторах, с центральной частотой 307,9 кГц. Более данных нет, справочной литературе он неведом.

Не вполне ясен смысл буквы "Т" в названии. Возможно, она обозначает тропическое исполнение.

Производитель - московский НИИ Радиокомпонентов.

Э3-155

Электромеханический фильтр, примечательный тем, что его название не соответствует системе, принятой для обозначений радиодеталей.

В остальном это вполне классический полосовой фильтр с центральной частотой 129,85 кГц и шириной полосы пропускания 600 Гц (по уровню -3 дБ).

Целое семейство таких ЭМФ с различными параметрами применялось в блоках радиоприемного устройства Р-160П "Вспышка" и его клонах ("Циклоида" и др.) Справочный листок на них. Пользователи отмечают более высокое качество этих фильтров по сравнению с аналогичными из серий ФЭМ, ЭМФЦ.

Производитель фильтра не маркирован, но можно с уверенностью сказать, что это Омский приборостроительный завод имени Н.Г. Козицкого.

ЭМФ-Д-500-3В

Данных по этому фильтру у меня немного. Согласно названию - дисковый электромеханический фильтр с верхней боковой полосой пропускания, центральная частота 500 кГц, ширина полосы 3 кГц.

Производитель - какой-то из заводов имени Козицкого; предполагаю, что ленинградский.

ЭМФП-6-465-6 "Надежда"

Пластинчатый (из 6 элементов) электромеханический фильтр любительского назначения, для конструирования радиоприемной аппаратуры. Имеет невысокие (для ЭМФ) параметры (см. заводской паспорт), но и приемлемую для радиолюбителей цену (в 1985 году - 7,20р.). Входное и выходное сопротивления фильтра оптимизированы для использования в аппаратуре на биполярных транзисторах, что упрощает конструкцию приемного тракта.

Электрические параметры

Центральная частота 465+1,5 кГц
Ширина полосы пропускания (по уровню -3 дБ) 6+0,8 кГц
Затухание в полосе пропускания не более 3,5 дБ
Селективность при расстройке +10 кГц не менее 56 дБ
Входное сопротивление 10 кОм
Выходное сопротивление 1 кОм

Производители - ОАО "Пьезо" (г.Москва) и Алчевский завод "КРАТОН" (бывший Коммунарский электромеханический завод).


(фото Константина Смолярова)

ЭМФЦ-301,4-0,8-3

Что можно сказать про этот довольно старый фильтр? А ничего! Какие-либо упоминания о нём отсутствуют...

Исходя из названия, мы знаем лишь, что это электромеханический фильтр на цилиндрических резонаторах, с центральной частотой 301,4 кГц и шириной полосы пропускания 800 Гц, некоего третьего варианта.

Производитель - московский НИИ Радиокомпонентов.

Источники:

1. Голубцов М.Г. Электромеханические фильтры радиочастот. М.-Л. Госэнергоиздат, 1957. (Массовая радиобиблиотека, выпуск 282).
2. Конашинский Д.А. Частотные электрические фильтры. М.-Л. Госэнергоиздат, 1959 (Массовая радиобиблиотека, выпуск 344).
3. Справочник радиолюбителя. Р. М. Терещук, Р. М. Домбругов, Н. Д. Босый, С И. Ногин, В. П. Боровский, А. Б. Чаплинский. В двух частях. Изд. 6-е. "Техника", 1970.
4. Волгов В.А. Детали и узлы радиоэлектронной аппаратуры. Изд. 2-е, перераб. и доп. М., "Энергия", 1977.
5. Приборы пьезоэлектрические и фильтры электромеханические. Группы 6330, 6387. Сборник справочных листов. РМ 11 073.072-2-82.- ВНИИ "Электронстандарт", 1983.
6. Электромеханический фильтр ЭМФП-6-465 - "Радио" 1985, №1.
7. Ладик А.И, Сташкевич А.И. Изделия электронной техники. Пьезоэлектрические и электромеханические приборы: Справочник. - М.: Радио и связь, 1993.
8. Константин Шульгин (U3DA). Основные параметры дисковых ЭМФ на частоту 500 кГц - "Радио" 2002, №5.

домой