Elektrické filtre — definícia, klasifikácia, charakteristiky, hlavné typy

Priemyselné zdroje energie poskytujú praktické sínusové krivky napätia… Zároveň sa v mnohých prípadoch striedavé prúdy a napätia, ktoré sú periodické, výrazne líšia od harmonických.

Elektrické filtre možno použiť na vyhladenie napäťových vĺn v usmerňovačoch, demodulátoroch, ktoré konvertujú amplitúdovo modulované vysokofrekvenčné oscilácie na relatívne pomalé zmeny napätia signálu a iných podobných zariadeniach.

V najjednoduchšom prípade sa môžete obmedziť na sériové pripojenie so záťažou induktory, ktorého odpor sa zvyšuje s rastúcim harmonickým rádom a je relatívne malý pre nízkofrekvenčné kmity a ešte viac pre konštantnú zložku. Efektívnejšie je použiť filtre v tvare U, T a L.

Základné definície a klasifikácia elektrických filtrov

Selektivita filtra je jeho schopnosť vybrať určitý rozsah frekvencií vlastných užitočnému signálu z celého frekvenčného spektra prúdov vstupujúcich na jeho vstup.

Na získanie dobrej selektivity musí filter prepúšťať prúdy pri frekvenciách vlastných požadovaného signálu s minimálnym útlmom a musí mať maximálny útlm pre prúdy na všetkých ostatných frekvenciách. V súlade s týmto filtrom možno uviesť nasledujúcu definíciu.

Elektrický filter sa nazýva štvorpólové zariadenie, ktoré prenáša prúdy v určitom frekvenčnom pásme s malým útlmom (šírkou pásma) a prúdy s frekvenciami mimo tohto pásma — s vysokým útlmom alebo, ako sa zvyčajne hovorí, neprechádza (ne prenosové pásmo).

Podľa štruktúry obvodov sa filtre delia na reťazové (stĺpové) a mostíkové. Reťazové filtre sú filtre vyrobené podľa mostíkových obvodov v tvare T, P a L. Mostové filtre sú filtre vyrobené na mostíkovom obvode.

V závislosti od povahy prvkov sa filtre delia na:

• LC — prvky ktorých sú indukčnosť a kapacita;

• RC - prvky ktorých sú aktívne odpory a kapacity;

• rezonátor — ktorého prvkami sú rezonátory.

Podľa prítomnosti zdrojov energie vo filtračnom okruhu sa delia na:

• pasívne – neobsahujúce zdroje energie v okruhu;

• aktívne - obsahujúce zdroje energie v obvode vo forme lampy alebo kryštálového zosilňovača; niekedy nazývané filtre aktívnych prvkov.

Pre kompletnú charakteristiku výkonu filtra je potrebné poznať jeho elektrické charakteristiky, ktoré zahŕňajú frekvenčné závislosti útlmu, fázového posunu a charakteristickej impedancie.

Najlepší je filter, ktorý s minimálnym počtom prvkov má:

• maximálna strmosť charakteristiky tlmenia;

• vysoký útlm v neprenosovom pásme;

• minimálny a konštantný útlm v priepustnom pásme;

• maximálna stálosť charakteristickej impedancie v priepustnom pásme;

• lineárna fázová odozva;

• možnosť jednoduchého a plynulého nastavenia frekvenčného pásma a jeho šírky;

• stálosť charakteristík, ktoré nezávisia od: napätí (prúdov) pôsobiacich na vstupe filtra, teploty a vlhkosti prostredia, ako aj od vplyvu vonkajších elektrických a magnetických porúch;

• schopnosť pracovať v rôznych frekvenčných rozsahoch;

• veľkosť, hmotnosť a náklady na filter musia byť minimálne.

Bohužiaľ neexistuje jediný elementárny typ filtra, ktorého vlastnosti spĺňajú všetky tieto požiadavky. Preto sa v závislosti od konkrétnych podmienok používajú také typy filtrov, ktorých vlastnosti najlepšie zodpovedajú technickým požiadavkám. Veľmi často je potrebné aplikovať filtre na zložité obvody pozostávajúce z elementárnych spojení rôznych typov.

Najbežnejšie typy filtrov

Na obr. 1 je znázornená schéma jednoduchého filtra v tvare L s tlmivkou L a kondenzátorom C zapojeným medzi prijímač rpr a usmerňovač V.

Striedavé prúdy na všetkých frekvenciách sa stretávajú so značným odporom induktora a paralelne zapojený kondenzátor prechádza zvyškové vysokofrekvenčné prúdy pozdĺž paralelnej vetvy. To výrazne znižuje zvlnenie napätia v záťaži. rNS.

Môžu sa použiť aj filtre pozostávajúce z dvoch alebo viacerých podobných odkazov. Niekedy sa namiesto induktorov používajú jednoduché filtre s odpormi.

Ryža. 1.Najjednoduchší vyhladzovací elektrický filter v tvare L

Pokročilejšie sú rezonančné filtre, ktoré používajú rezonančné javy.

Keď sú tlmivka a kondenzátor zapojené do série, keď fwL = 1 / (kwV), obvod bude mať najvyššiu vodivosť (aktívnu) pri frekvencii fw a dosť vysokú vodivosť vo frekvenčnom pásme blízkom rezonancii. Tento obvod je jednoduchý pásmový filter.

Keď sú induktor a kondenzátor zapojené paralelne, takýto obvod bude mať najnižšiu vodivosť pri rezonančnej frekvencii a relatívne nízku vodivosť vo frekvenčnom pásme blízkom rezonančnej frekvencii. Takýto filter je blokovacím filtrom pre určité frekvenčné pásmo.

Na zlepšenie výkonu jednoduchého pásmového filtra je možné použiť schému (obr. 2), v ktorej sú tlmivka a kondenzátor navzájom paralelne zapojené paralelne k prijímaču. Takýto obvod je tiež ladený v rezonancii s frekvenciou kôz a predstavuje veľmi vysoký odpor pre prúdy vo zvolenom frekvenčnom pásme a oveľa menší odpor pre prúdy iných frekvencií.

Ryža. 2. Schéma jednoduchého pásmového filtra

Podobný filter je možné použiť v modulátoroch, ktoré vytvárajú modulované oscilácie na určitej frekvencii. Na modulátor M je privedené nízkofrekvenčné signálne napätie Uc, ktoré sa premieňa na modulované vysokofrekvenčné kmity a filter oddeľuje napätie od požadovanej frekvencie, ktoré je privádzané do záťaže rNS.

Predpokladajme napríklad, že obvodom preteká nesínusový striedavý prúd a že z prúdovej krivky prijímača sa majú eliminovať veľmi veľké prúdy tretej a piatej harmonickej.Ďalej do obvodu striedavo zaradíme dva obvody ladené do rezonancie pre tretiu a piatu harmonickú (obr. 3, a).

Impedancia ľavej linky naladená na rezonanciu pre frekvenciu 3w bude veľmi veľká pre túto frekvenciu a malá pre všetky ostatné harmonické; podobnú úlohu zohráva aj správny obvod ladený do rezonancie pre frekvenciu 5w... Prúdová krivka vstupného prijímača preto takmer nebude obsahovať tretiu a piatu harmonickú (obr. 3, b), ktoré budú potlačené tl. filter.

Ryža. 3. Schéma so sériovo zapojenými rezonančnými obvodmi naladenými na rezonanciu pre tretiu a piatu harmonickú: a — schéma zapojenia; b — krivky napätia a obvodu a prúdu inp prijímača

Ryža. 4. Krivka výstupného napätia pásmového filtra

V niektorých prípadoch sa vykonávajú sofistikovanejšie pásmové filtre, ako aj medzné filtre, ktoré prepustia alebo neprepustia oscilácie začínajúce od určitej frekvencie. Takéto filtre pozostávajú zo spojov v tvare T alebo U.

Princíp fungovania filtrov spočíva v tom, že vo frekvenčnom pásme frekvencií, napríklad pásmového filtra, dochádza k rezonancii na n + 1 frekvenciách, kde n je počet spojení. Krivka Uout = f (w) pre takýto filter zložený z troch zapojení je znázornená na obr. 4. Rezonancia sa vyskytuje pri frekvenciách w1,w2, w3 a w4.

Pozri tiež na túto tému: Výkonové filtre aVstupné a výstupné filtre pre frekvenčné meniče