Elektrické filtry — definice, klasifikace, vlastnosti, hlavní typy

Průmyslové zdroje energie poskytují praktické sinusové křivky napětí… Zároveň se v řadě případů střídavé proudy a napětí, které jsou periodické, výrazně liší od harmonických.

Elektrické filtry lze použít k vyhlazování napěťových vln v usměrňovačích, demodulátorech, které převádějí amplitudově modulované vysokofrekvenční oscilace na relativně pomalé změny napětí signálu, a dalších podobných zařízeních.

V nejjednodušším případě se můžete omezit na sériové připojení se zátěží induktory, jehož odpor roste s rostoucím harmonickým řádem a je relativně malý pro nízkofrekvenční kmity a ještě více pro konstantní složku. Efektivnější je použití filtrů ve tvaru U, T a L.

Základní definice a klasifikace elektrických filtrů

Selektivita filtru je jeho schopnost vybrat určitý rozsah frekvencí vlastní užitečnému signálu z celého frekvenčního spektra proudů vstupujících na jeho vstup.

Pro získání dobré selektivity musí filtr propouštět proudy na frekvencích vlastních požadovanému signálu s minimálním útlumem a mít maximální útlum pro proudy na všech ostatních frekvencích. V souladu s tímto filtrem lze uvést následující definici.

Elektrický filtr se nazývá čtyřpólové zařízení, které přenáší proudy v určitém frekvenčním pásmu s malým útlumem (šířkou pásma) a proudy s frekvencemi mimo toto pásmo — s vysokým útlumem nebo, jak se obvykle říká, neprochází (neprochází přenosové pásmo).

Podle struktury obvodů se filtry dělí na filtry řetězové (sloupcové) a můstkové. Řetězové filtry jsou filtry vyrobené podle můstkových obvodů ve tvaru T, P a L. Můstkové filtry jsou filtry vyrobené na můstkovém obvodu.

V závislosti na povaze prvků se filtry dělí na:

• LC — jejichž prvky jsou indukčnost a kapacita;

• RC — jehož prvky jsou aktivní odpory a kapacity;

• rezonátor — jehož prvky jsou rezonátory.

Podle přítomnosti zdrojů energie ve filtračním okruhu se dělí na:

• pasivní — neobsahující zdroje energie v okruhu;

• aktivní — obsahující zdroje energie v obvodu ve formě lampy nebo krystalového zesilovače; někdy nazývané filtry aktivních prvků.

Pro kompletní charakterizaci výkonu filtru je nutné znát jeho elektrické charakteristiky, které zahrnují frekvenční závislosti útlumu, fázového posunu a charakteristické impedance.

Nejlepší je filtr, který s minimálním počtem prvků má:

• maximální strmost charakteristiky tlumení;

• vysoký útlum v nepropustném pásmu;

• minimální a konstantní útlum v propustném pásmu;

• maximální stálost charakteristické impedance v propustném pásmu;

• lineární fázová odezva;

• možnost snadného a hladkého nastavení frekvenčního pásma a jeho šířky;

• stálost charakteristik, které nezávisí na: napětích (proudech) působících na vstupu filtru, teplotě a vlhkosti prostředí, jakož i vlivu vnějších elektrických a magnetických rušení;

• schopnost pracovat v různých frekvenčních rozsazích;

• velikost, hmotnost a náklady na filtr musí být minimální.

Bohužel neexistuje jediný elementární typ filtru, který by svými vlastnostmi splňoval všechny tyto požadavky. Proto se v závislosti na konkrétních podmínkách používají takové typy filtrů, které svými vlastnostmi nejlépe odpovídají technickým požadavkům. Velmi často je potřeba aplikovat filtry na složité obvody sestávající z elementárních zapojení různého typu.

Nejběžnější typy filtrů

Na Obr. 1 ukazuje schéma jednoduchého filtru ve tvaru L s induktorem L a kondenzátorem C zapojeným mezi přijímač rpr a usměrňovač V.

Střídavé proudy na všech frekvencích se setkávají se značným odporem induktoru a paralelně zapojený kondenzátor vede zbytkové vysokofrekvenční proudy podél paralelní větve. To výrazně snižuje zvlnění napětí v zátěži. rNS.

Lze také použít filtry sestávající ze dvou nebo více podobných odkazů. Někdy se místo induktorů používají jednoduché filtry s odpory.

Rýže. 1.Nejjednodušší vyhlazovací elektrický filtr ve tvaru L

Pokročilejší jsou rezonanční filtry, které používají rezonanční jevy.

Když jsou induktor a kondenzátor zapojeny do série, když fwL = 1 / (kwV), obvod bude mít nejvyšší vodivost (aktivní) na frekvenci fw a poměrně vysoké vodivosti ve frekvenčním pásmu blízkém rezonanci. Tento obvod je jednoduchý pásmový filtr.

Když jsou induktor a kondenzátor zapojeny paralelně, bude mít takový obvod nejnižší vodivost při rezonanční frekvenci a relativně nízkou vodivost ve frekvenčním pásmu blízkém rezonanční frekvenci. Takový filtr je blokovacím filtrem pro určité frekvenční pásmo.

Pro zlepšení výkonu jednoduchého pásmového filtru je možné použít schéma (obr. 2), ve kterém jsou induktor a kondenzátor zapojeny paralelně k sobě paralelně k přijímači. Takový obvod je také laděn v rezonanci s frekvencí koz a představuje velmi vysoký odpor pro proudy ve zvoleném frekvenčním pásmu a mnohem menší odpor pro proudy jiných frekvencí.

Rýže. 2. Schéma jednoduchého pásmového filtru

Podobný filtr lze použít v modulátorech, které produkují modulované oscilace na určité frekvenci. Na modulátor M je přivedeno nízkofrekvenční signálové napětí Uc, které se převádí na modulované vysokofrekvenční kmity a filtr odděluje napětí od požadované frekvence, které je přiváděno do zátěže rNS.

Předpokládejme například, že obvodem protéká nesinusový střídavý proud a že z proudové křivky přijímače mají být eliminovány velmi velké třetí a páté harmonické proudy.Dále do obvodu střídavě zařadíme dva obvody laděné do rezonance pro třetí a pátou harmonickou (obr. 3, a).

Impedance levé linky naladěná na rezonanci pro frekvenci 3w bude velmi velká pro tuto frekvenci a malá pro všechny ostatní harmonické; podobnou roli hraje i správný obvod naladěný na rezonanci pro kmitočet 5w... Proudová křivka vstupního přijímače tedy téměř nebude obsahovat třetí a pátou harmonickou (obr. 3, b), které budou potlačeny el. filtr.

Rýže. 3. Schéma se sériově zapojenými rezonančními obvody naladěnými na rezonanci pro třetí a pátou harmonickou: a — schéma zapojení; b — křivky napětí a obvodu a proudu inp přijímače

Rýže. 4. Křivka výstupního napětí pásmového filtru

V některých případech se používají sofistikovanější pásmové filtry a také ořezové filtry, které propouštějí nebo nepropouštějí oscilace začínající na určité frekvenci. Takové filtry se skládají z připojení ve tvaru T nebo U.

Princip fungování filtrů spočívá v tom, že ve frekvenčním pásmu frekvencí např. pásmového filtru dochází k rezonanci na n + 1 frekvencích, kde n je počet spojení. Křivka Uout = f (w) pro takový filtr složený ze tří zapojení je na Obr. 4. Rezonance nastává při frekvencích w1,w2, w3 a w4.

Viz také k tomuto tématu: Výkonové filtry aVstupní a výstupní filtry pro frekvenční měniče