Filtre electrice — definiție, clasificare, caracteristici, tipuri principale

Sursele industriale de energie oferă practică curbe de tensiune sinusoidale… În același timp, într-o serie de cazuri, curenții și tensiunile alternative, care sunt periodice, diferă puternic de cele armonice.

Filtrele electrice pot fi utilizate pentru a netezi undele de tensiune în redresoare, demodulatoare care convertesc oscilațiile de înaltă frecvență modulate în amplitudine în modificări relativ lente ale tensiunii semnalului și alte dispozitive similare.

În cel mai simplu caz, vă puteți limita la conexiunea în serie cu sarcina inductori, a cărui rezistență crește odată cu creșterea ordinii armonice și este relativ mică pentru oscilațiile de joasă frecvență și cu atât mai mult pentru componenta constantă. Este mai eficient să folosiți filtre în formă de U, în formă de T și în formă de L.

Definiții de bază și clasificare a filtrelor electrice

Selectivitatea filtrului este capacitatea sa de a selecta o anumită gamă de frecvențe inerente semnalului util din întregul spectru de frecvență al curenților care intră în intrarea sa.

Pentru a obține o selectivitate bună, filtrul trebuie să treacă curenți la frecvențe inerente semnalului dorit cu o atenuare minimă și să aibă atenuare maximă pentru curenții la toate celelalte frecvențe. În conformitate cu acest filtru, poate fi dată următoarea definiție.

Un filtru electric se numește un dispozitiv cu patru poli care transmite curenți într-o anumită bandă de frecvență cu o atenuare mică (lățime de bandă) și curenți cu frecvențe în afara acestei benzi - cu atenuare mare sau, după cum se spune de obicei, nu trece (non- banda de transmisie).

În funcție de structura circuitelor, filtrele sunt împărțite în filtre în lanț (coloană) și în punte. Filtrele cu lanț sunt filtre realizate conform circuitelor de punte în formă de T, P și L. Filtrele punte sunt filtre realizate pe un circuit punte.

În funcție de natura elementelor, filtrele sunt împărțite în:

• LC — ale căror elemente sunt inductanța și capacitatea;

• RC — ale căror elemente sunt rezistențele și capacitățile active;

• rezonator — ale cărui elemente sunt rezonatoare.

În funcție de prezența surselor de energie în circuitul de filtrare, acestea sunt împărțite în:

• pasiv — care nu conține surse de energie în circuit;

• activ — care conțin surse de energie în circuit sub forma unei lămpi sau a unui amplificator cu cristal; numite uneori filtre cu elemente active.

Pentru o caracterizare completă a performanței filtrului, este necesar să se cunoască caracteristicile sale electrice, care includ dependențele de frecvență ale atenuării, defazajului și impedanței caracteristice.

Cel mai bun este un filtru care, cu un număr minim de elemente, are:

• abruptul maxim al caracteristicii de amortizare;

• atenuare mare în banda de non-transmisie;

• atenuare minimă și constantă în banda de trecere;

• constanța maximă a impedanței caracteristice în banda de trecere;

• răspuns de fază liniară;

• posibilitatea de reglare ușoară și lină a benzii de frecvență și a lățimii acesteia;

• constanța caracteristicilor care nu depind de: tensiunile (curenții) care acționează la intrarea filtrului, temperatura și umiditatea mediului ambiant, precum și influența perturbațiilor electrice și magnetice externe;

• capacitatea de a lucra în diferite game de frecvență;

• dimensiunea, greutatea și costul filtrului trebuie menținute la minimum.

Din păcate, nu există un singur tip elementar de filtru ale cărui caracteristici să îndeplinească toate aceste cerințe. Prin urmare, în funcție de condițiile specifice, se folosesc astfel de tipuri de filtre, ale căror caracteristici corespund cel mai bine cerințelor tehnice. Foarte des este necesar să se aplice filtre la circuite complexe constând din conexiuni elementare de diferite tipuri.

Cele mai comune tipuri de filtre

În fig. 1 prezintă schema unui filtru simplu în formă de L cu inductor L și condensator C conectate între receptorul rpr și redresorul V.

Curenții alternativi la toate frecvențele întâlnesc o rezistență semnificativă a inductorului, iar un condensator conectat în paralel trece curenții reziduali de înaltă frecvență de-a lungul ramului paralel. Acest lucru reduce semnificativ ondulațiile de tensiune din sarcină. rNS.

De asemenea, pot fi utilizate filtre care constau din două sau mai multe link-uri similare. Uneori se folosesc filtre simple cu rezistențe în loc de inductori.

Orez. 1.Cel mai simplu filtru electric de netezire în formă de L

Mai avansate sunt filtrele rezonante pe care le folosesc fenomene de rezonanţă.

Când inductorul și condensatorul sunt conectate în serie, când fwL = 1 / (kwV), circuitul va avea cea mai mare conductivitate (activă) la frecvența fw și conductivități destul de mari în banda de frecvență apropiată de rezonanță. Acest circuit este un simplu filtru trece-bandă.

Când inductorul și condensatorul sunt conectate în paralel, un astfel de circuit va avea cea mai scăzută conductivitate la frecvența de rezonanță și o conductivitate relativ scăzută în banda de frecvență apropiată de frecvența de rezonanță. Un astfel de filtru este un filtru de blocare pentru o anumită bandă de frecvență.

Pentru a îmbunătăți performanța unui filtru trece-bandă simplu, este posibil să folosiți o schemă (Fig. 2) în care un inductor și un condensator sunt conectate în paralel unul cu celălalt în paralel cu receptorul. Un astfel de circuit este, de asemenea, reglat în rezonanță cu frecvența caprelor și prezintă o rezistență foarte mare pentru curenții din banda de frecvență selectată și mult mai puțină rezistență pentru curenții de alte frecvențe.

Orez. 2. Schema unui filtru trece-bandă simplu

Un filtru similar poate fi utilizat în modulatoarele care produc oscilații modulate la o anumită frecvență. Modulatorului M se aplică o tensiune de semnal de joasă frecvență Uc, care este convertită în oscilații modulate de înaltă frecvență, iar filtrul separă tensiunea de frecvența necesară, care este alimentată la sarcina rNS.

Să presupunem, de exemplu, că un curent alternativ nesinusoidal curge prin circuit și că curenții foarte mari armonici a treia și a cincea trebuie să fie eliminați din curba curentului receptorului.În continuare, vom include alternativ două circuite reglate la rezonanță pentru a treia și a cincea armonică din circuit (Fig. 3, a).

O impedanță de linie stângă reglată la rezonanță pentru o frecvență de 3w va fi foarte mare pentru acea frecvență și mică pentru toate celelalte armonice; un rol similar îl joacă circuitul corect reglat la rezonanță pentru frecvența 5w... Prin urmare, curba de curent a receptorului de intrare aproape că nu va conține armonicile a treia și a cincea (Fig. 3, b), care vor fi suprimate de către filtru.

Orez. 3. Schemă cu circuite rezonante conectate în serie acordate la rezonanță pentru armonicile a treia și a cincea: a — schema de circuit; b — curbele de tensiune și circuit și curent inp ale receptorului

Orez. 4. Curba tensiunii de ieșire a filtrului trece-bandă

În unele cazuri, se execută filtre trece-bandă mai sofisticate, precum și filtre cut-off care trec sau nu trec oscilații începând de la o anumită frecvență. Astfel de filtre constau din conexiuni în formă de T sau în formă de U.

Principiul de funcționare al filtrelor este că în banda de frecvență a frecvențelor, de exemplu, un filtru trece-bandă, rezonanța are loc la n + 1 frecvențe, unde n este numărul de conexiuni. O curbă Uout = f (w) pentru un astfel de filtru compus din trei conexiuni este prezentată în Fig. 4. Rezonanța are loc la frecvențele w1,w2, w3 și w4.

Vezi și pe acest subiect: Filtre de putere șiFiltre de intrare și ieșire pentru convertoare de frecvență