Elektriske filtre — definition, klassifikation, karakteristika, hovedtyper

Industrielle energikilder giver praktiske sinusformede spændingskurver… Samtidig adskiller vekselstrømme og spændinger, som er periodiske, sig i en række tilfælde skarpt fra harmoniske.

Elektriske filtre kan bruges til at udglatte spændingsbølger i ensrettere, demodulatorer, der konverterer amplitudemodulerede højfrekvente svingninger til relativt langsomme ændringer i signalspændingen og andre lignende enheder.

I det enkleste tilfælde kan du begrænse dig til seriel forbindelse med belastningen induktorer, hvis modstand stiger med stigende harmonisk orden og er relativt lille for lavfrekvente svingninger og endnu mere for den konstante komponent. Det er mere effektivt at bruge U-formede, T-formede og L-formede filtre.

Grundlæggende definitioner og klassificering af elektriske filtre

Filtrets selektivitet er dets evne til at vælge et bestemt område af frekvenser, der er iboende i det nyttige signal fra hele frekvensspektret af strømme, der kommer ind i dets input.

For at opnå god selektivitet skal filteret sende strømme ved frekvenser, der er iboende til det ønskede signal, med minimal dæmpning og have maksimal dæmpning for strømme ved alle andre frekvenser. I overensstemmelse med dette filter kan følgende definition gives.

Et elektrisk filter kaldes en firepolet enhed, der transmitterer strømme i et bestemt frekvensbånd med lille dæmpning (båndbredde), og strømme med frekvenser uden for dette bånd - med høj dæmpning eller, som det normalt siges, ikke passerer (ikke- transmissionsbånd).

I henhold til strukturen af ​​kredsløbene er filtre opdelt i kæde- (kolonne) og brofiltre. Kædefiltre er filtre fremstillet efter T-, P- og L-formede brokredsløb. Brofiltre er filtre lavet på et brokredsløb.

Afhængigt af arten af ​​elementerne er filtrene opdelt i:

• LC — hvis elementer er induktans og kapacitans;

• RC — elementer, som er aktive modstande og kapaciteter;

• resonator — hvis elementer er resonatorer.

I henhold til tilstedeværelsen af ​​energikilder i filterkredsløbet er de opdelt i:

• passiv — indeholder ikke energikilder i kredsløbet;

• aktiv — indeholdende energikilder i kredsløbet i form af en lampe eller krystalforstærker; kaldes nogle gange aktive elementfiltre.

For en fuldstændig karakterisering af filterydelsen er det nødvendigt at kende dets elektriske karakteristika, som inkluderer frekvensafhængighederne af dæmpning, faseforskydning og karakteristisk impedans.

Det bedste er et filter, der med et minimum antal elementer har:

• den maksimale stejlhed af dæmpningskarakteristikken;

• høj dæmpning i det ikke-transmitterende bånd;

• minimal og konstant dæmpning i pasbåndet;

• maksimal konstans af den karakteristiske impedans i pasbåndet;

• lineær faserespons;

• muligheden for nem og jævn justering af frekvensbåndet og dets bredde;

• konstans af egenskaber, der ikke afhænger af: spændinger (strømme), der virker ved filterindgangen, temperatur og fugtighed i miljøet, samt indflydelsen af ​​eksterne elektriske og magnetiske forstyrrelser;

• evne til at arbejde i forskellige frekvensområder;

• filterets størrelse, vægt og pris skal holdes på et minimum.

Desværre er der ikke en enkelt elementær type filter, hvis egenskaber opfylder alle disse krav. Derfor, afhængigt af de specifikke forhold, anvendes sådanne typer filtre, hvis egenskaber bedst opfylder de tekniske krav. Meget ofte er det nødvendigt at anvende filtre til komplekse kredsløb, der består af elementære forbindelser af forskellige typer.

De mest almindelige typer filtre

I fig. 1 viser diagrammet over et simpelt L-formet filter med induktor L og kondensator C forbundet mellem modtager rpr og ensretter V.

Vekselstrømmene ved alle frekvenser møder en betydelig induktormodstand, og en parallelforbundet kondensator sender de resterende højfrekvente strømme langs parallelgrenen. Dette reducerer markant spændingsbølger i belastningen. rNS.

Filtre bestående af to eller flere lignende links kan også bruges. Nogle gange bruges simple filtre med modstande i stedet for induktorer.

Ris. 1.Det enkleste udjævnende L-formede elektriske filter

Mere avancerede er de resonansfiltre, de bruger resonans fænomener.

Når induktor og kondensator er forbundet i serie, når fwL = 1 / (kwV), vil kredsløbet have den højeste ledningsevne (aktiv) ved frekvensen fw og ret høj ledningsevne i frekvensbåndet tæt på resonansen. Dette kredsløb er et simpelt båndpasfilter.

Når induktoren og kondensatoren er parallelforbundet, vil et sådant kredsløb have den laveste ledningsevne ved resonansfrekvensen og relativt lav ledningsevne i frekvensbåndet tæt på resonansfrekvensen. Et sådant filter er et blokeringsfilter for et bestemt frekvensbånd.

For at forbedre ydeevnen af ​​et simpelt båndpasfilter er det muligt at bruge et skema (fig. 2), hvor en induktor og en kondensator er forbundet parallelt med hinanden parallelt med modtageren. Et sådant kredsløb er også afstemt i resonans med gedernes frekvens og giver en meget høj modstand for strømme i det valgte frekvensbånd og meget mindre modstand for strømme af andre frekvenser.

Ris. 2. Skematisk af et simpelt båndpasfilter

Et lignende filter kan bruges i modulatorer, der producerer modulerede oscillationer ved en bestemt frekvens. En lavfrekvent signalspænding Uc påføres modulatoren M, som omdannes til modulerede højfrekvente svingninger, og filteret adskiller spændingen fra den nødvendige frekvens, som tilføres belastningen rNS.

Antag for eksempel, at en ikke-sinusformet vekselstrøm løber gennem kredsløbet, og at meget store tredje og femte harmoniske strømme skal elimineres fra modtagerens strømkurve.Dernæst vil vi skiftevis inkludere to kredsløb, der er indstillet til resonans for den tredje og femte harmoniske i kredsløbet (fig. 3, a).

En venstre linieimpedans indstillet til resonans for en frekvens på 3w vil være meget stor for den frekvens og lille for alle andre harmoniske; en lignende rolle spilles af det rigtige kredsløb tunet til resonans for frekvens 5w... Derfor vil strømkurven for indgangsmodtageren næsten ikke indeholde den tredje og femte harmoniske (fig. 3, b), som vil blive undertrykt af filter.

Ris. 3. Skema med serieforbundne resonanskredsløb afstemt til resonans for tredje og femte harmoniske: a — kredsløbsdiagram; b — kurver for spænding og kredsløb og strøm inp for modtageren

Ris. 4. Båndpasfilterets udgangsspændingskurve

I nogle tilfælde udføres mere sofistikerede båndpasfiltre, samt afskæringsfiltre, der passerer eller ikke passerer oscillationer, der starter ved en bestemt frekvens. Sådanne filtre består af T-formede eller U-formede forbindelser.

Princippet for drift af filtre er, at i frekvensbåndet af frekvenser, for eksempel et båndpasfilter, opstår resonans ved n + 1 frekvenser, hvor n er antallet af forbindelser. En kurve Uout = f (w) for et sådant filter sammensat af tre forbindelser er vist i fig. 4. Resonans forekommer ved frekvenserne w1,w2, w3 og w4.

Se også om dette emne: Strømfiltre ogInput- og outputfiltre til frekvensomformere