Elektriske filtre - definisjon, klassifisering, egenskaper, hovedtyper

Industrielle energikilder gir praktisk sinusformede spenningskurver… Samtidig, i en rekke tilfeller, skiller vekselstrømmer og spenninger, som er periodiske, seg kraftig fra harmoniske.

Elektriske filtre kan brukes til å jevne ut spenningsbølger i likerettere, demodulatorer som konverterer amplitudemodulerte høyfrekvente oscillasjoner til relativt langsomme endringer i signalspenning og andre lignende enheter.

I det enkleste tilfellet kan du begrense deg til seriell forbindelse med lasten induktorer, hvis motstand øker med økende harmonisk orden og er relativt liten for lavfrekvente oscillasjoner og enda mer for den konstante komponenten. Det er mer effektivt å bruke U-formede, T-formede og L-formede filtre.

Grunnleggende definisjoner og klassifisering av elektriske filtre

Selektiviteten til filteret er dets evne til å velge et visst område av frekvenser som er iboende i det nyttige signalet fra hele frekvensspekteret av strømmer som kommer inn i inngangen.

For å oppnå god selektivitet må filteret passere strømmer ved frekvenser som er iboende til det ønskede signalet med minimal dempning og ha maksimal demping for strømmer ved alle andre frekvenser. I samsvar med dette filteret kan følgende definisjon gis.

Et elektrisk filter kalles en fire-polet enhet som overfører strøm i et bestemt frekvensbånd med liten dempning (båndbredde), og strømmer med frekvenser utenfor dette båndet — med høy dempning eller, som det vanligvis sies, ikke passerer (ikke- overføringsbånd).

I henhold til strukturen til kretsene er filtre delt inn i kjede- (kolonne) og brofiltre. Kjedefiltre er filtre laget i henhold til T-, P- og L-formede brokretser. Brofiltre er filtre laget på en brokrets.

Avhengig av elementenes natur er filtrene delt inn i:

• LC — elementer som er induktans og kapasitans;

• RC — elementer som er aktive motstander og kapasiteter;

• resonator - elementene som er resonatorer.

I henhold til tilstedeværelsen av energikilder i filterkretsen, er de delt inn i:

• passiv — inneholder ikke energikilder i kretsen;

• aktiv — inneholder energikilder i kretsen i form av en lampe eller krystallforsterker; noen ganger kalt aktive elementfiltre.

For en fullstendig karakterisering av filterytelsen er det nødvendig å kjenne til dets elektriske egenskaper, som inkluderer frekvensavhengighetene til dempning, faseskift og karakteristisk impedans.

Det beste er et filter som, med et minimum antall elementer, har:

• den maksimale brattheten til dempingskarakteristikken;

• høy dempning i ikke-overføringsbåndet;

• minimal og konstant dempning i passbåndet;

• maksimal konstans av den karakteristiske impedansen i passbåndet;

• lineær faserespons;

• muligheten for enkel og jevn justering av frekvensbåndet og dets bredde;

• konstans av egenskaper som ikke er avhengig av: spenninger (strømmer) som virker ved filterinngangen, temperatur og fuktighet i miljøet, samt påvirkning av eksterne elektriske og magnetiske forstyrrelser;

• evne til å jobbe i forskjellige frekvensområder;

• størrelse, vekt og pris på filteret må holdes på et minimum.

Dessverre er det ingen enkelt elementær type filter hvis egenskaper oppfyller alle disse kravene. Derfor, avhengig av de spesifikke forholdene, brukes slike typer filtre, hvis egenskaper best oppfyller de tekniske kravene. Svært ofte er det nødvendig å bruke filtre på komplekse kretser som består av elementære forbindelser av forskjellige typer.

De vanligste typene filtre

I fig. 1 viser diagrammet av et enkelt L-formet filter med induktor L og kondensator C koblet mellom mottaker rpr og likeretter V.

Vekselstrømmene ved alle frekvenser møter en betydelig induktormotstand, og en parallellkoblet kondensator passerer de gjenværende høyfrekvente strømmene langs den parallelle grenen. Dette reduserer spenningsbølger i lasten betydelig. rNS.

Filtre som består av to eller flere lignende lenker kan også brukes. Noen ganger brukes enkle filtre med motstander i stedet for induktorer.

Ris. 1.Det enkleste glattende L-formede elektriske filteret

Mer avanserte er resonansfiltrene de bruker resonansfenomener.

Når induktor og kondensator er koblet i serie, når fwL = 1 / (kwV), vil kretsen ha høyest ledningsevne (aktiv) ved frekvensen fw og ganske høy ledningsevne i frekvensbåndet nær resonansen. Denne kretsen er et enkelt båndpassfilter.

Når induktor og kondensator er koblet parallelt, vil en slik krets ha lavest ledningsevne ved resonansfrekvensen og relativt lav ledningsevne i frekvensbåndet nær resonansfrekvensen. Et slikt filter er et blokkeringsfilter for et bestemt frekvensbånd.

For å forbedre ytelsen til et enkelt båndpassfilter er det mulig å bruke et skjema (fig. 2) der en induktor og en kondensator er koblet parallelt med hverandre parallelt med mottakeren. En slik krets er også innstilt i resonans med frekvensen til geitene og gir en meget høy motstand for strømmer i det valgte frekvensbåndet og mye mindre motstand for strømmer med andre frekvenser.

Ris. 2. Skjematisk av et enkelt båndpassfilter

Et lignende filter kan brukes i modulatorer som produserer modulerte oscillasjoner ved en bestemt frekvens. En lavfrekvent signalspenning Uc påføres modulatoren M, som omdannes til modulerte høyfrekvente oscillasjoner, og filteret skiller spenningen fra den nødvendige frekvensen, som mates til lasten rNS.

Anta for eksempel at en ikke-sinusformet vekselstrøm flyter gjennom kretsen og at svært store tredje og femte harmoniske strømmer skal elimineres fra mottakerstrømkurven.Deretter vil vi vekselvis inkludere to kretser innstilt til resonans for den tredje og femte harmoniske i kretsen (fig. 3, a).

En venstrelinjeimpedans innstilt til resonans for en frekvens på 3w vil være veldig stor for den frekvensen og liten for alle andre harmoniske; en lignende rolle spilles av den høyre kretsen innstilt til resonans for frekvens 5w... Derfor vil strømkurven til inngangsmottakeren nesten ikke inneholde den tredje og femte harmoniske (fig. 3, b), som vil bli undertrykt av filter.

Ris. 3. Skjema med seriekoblede resonanskretser innstilt til resonans for tredje og femte harmoniske: a — kretsskjema; b — kurver for spenning og krets og strøm inp for mottakeren

Ris. 4. Båndpassfilterets utgangsspenningskurve

I noen tilfeller utføres mer sofistikerte båndpassfiltre, samt cut-off-filtre som passerer eller ikke passerer svingninger som starter ved en viss frekvens. Slike filtre består av T-formede eller U-formede forbindelser.

Prinsippet for drift av filtre er at i frekvensbåndet av frekvenser, for eksempel et båndpassfilter, oppstår resonans ved n + 1 frekvenser, hvor n er antall tilkoblinger. En kurve Uout = f (w) for et slikt filter sammensatt av tre tilkoblinger er vist i fig. 4. Resonans oppstår ved frekvensene w1,w2, w3 og w4.

Se også om dette emnet: Strømfiltre ogInn- og utgangsfiltre for frekvensomformere