Ηλεκτρικά φίλτρα — ορισμός, ταξινόμηση, χαρακτηριστικά, κύριοι τύποι

Οι βιομηχανικές πηγές ενέργειας παρέχουν πρακτική ημιτονοειδείς καμπύλες τάσης… Ταυτόχρονα, σε πολλές περιπτώσεις, τα εναλλασσόμενα ρεύματα και τάσεις, που είναι περιοδικά, διαφέρουν έντονα από τα αρμονικά.

Τα ηλεκτρικά φίλτρα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την εξομάλυνση των κυμάτων τάσης σε ανορθωτές, αποδιαμορφωτές που μετατρέπουν τις διαμορφωμένες με πλάτος ταλαντώσεις υψηλής συχνότητας σε σχετικά αργές αλλαγές στην τάση του σήματος και άλλες παρόμοιες συσκευές.

Στην απλούστερη περίπτωση, μπορείτε να περιοριστείτε στη σειριακή σύνδεση με το φορτίο επαγωγείς, του οποίου η αντίσταση αυξάνεται με την αύξηση της αρμονικής τάξης και είναι σχετικά μικρή για τις ταλαντώσεις χαμηλής συχνότητας και ακόμη περισσότερο για τη σταθερή συνιστώσα. Είναι πιο αποτελεσματικό να χρησιμοποιείτε φίλτρα σε σχήμα U, σε σχήμα Τ και σε σχήμα L.

Βασικοί ορισμοί και ταξινόμηση ηλεκτρικών φίλτρων

Η επιλεκτικότητα του φίλτρου είναι η ικανότητά του να επιλέγει ένα συγκεκριμένο εύρος συχνοτήτων που είναι εγγενές στο χρήσιμο σήμα από ολόκληρο το φάσμα συχνοτήτων των ρευμάτων που εισέρχονται στην είσοδό του.

Για να επιτευχθεί καλή επιλεκτικότητα, το φίλτρο πρέπει να διέρχεται ρεύματα σε συχνότητες εγγενείς στο επιθυμητό σήμα με ελάχιστη εξασθένηση και να έχει μέγιστη εξασθένηση για ρεύματα σε όλες τις άλλες συχνότητες. Σύμφωνα με αυτό το φίλτρο, μπορεί να δοθεί ο ακόλουθος ορισμός.

Ένα ηλεκτρικό φίλτρο ονομάζεται μια τετραπολική συσκευή που μεταδίδει ρεύματα σε μια συγκεκριμένη ζώνη συχνοτήτων με μικρή εξασθένηση (εύρος ζώνης) και ρεύματα με συχνότητες εκτός αυτής της ζώνης — με υψηλή εξασθένηση ή, όπως συνήθως λέγεται, δεν περνάει (μη ζώνη μετάδοσης).

Σύμφωνα με τη δομή των κυκλωμάτων, τα φίλτρα χωρίζονται σε φίλτρα αλυσίδας (στήλης) και φίλτρα γέφυρας. Τα φίλτρα αλυσίδας είναι φίλτρα κατασκευασμένα σύμφωνα με κυκλώματα γεφυρών σε σχήμα Τ, Ρ και L. Τα φίλτρα γέφυρας είναι φίλτρα που κατασκευάζονται σε ένα κύκλωμα γέφυρας.

Ανάλογα με τη φύση των στοιχείων, τα φίλτρα χωρίζονται σε:

• LC — στοιχεία του οποίου είναι η επαγωγή και η χωρητικότητα.

• RC — στοιχεία του οποίου είναι ενεργές αντιστάσεις και χωρητικότητες.

• αντηχείο — τα στοιχεία του οποίου είναι αντηχεία.

Σύμφωνα με την παρουσία πηγών ενέργειας στο κύκλωμα του φίλτρου, χωρίζονται σε:

• παθητικό — δεν περιέχει πηγές ενέργειας στο κύκλωμα.

• ενεργό — περιέχει πηγές ενέργειας στο κύκλωμα με τη μορφή λαμπτήρα ή κρυστάλλινου ενισχυτή. μερικές φορές ονομάζονται φίλτρα ενεργών στοιχείων.

Για έναν πλήρη χαρακτηρισμό της απόδοσης του φίλτρου, είναι απαραίτητο να γνωρίζουμε τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά του, τα οποία περιλαμβάνουν τις εξαρτήσεις συχνότητας της εξασθένησης, τη μετατόπιση φάσης και τη χαρακτηριστική σύνθετη αντίσταση.

Το καλύτερο είναι ένα φίλτρο που, με έναν ελάχιστο αριθμό στοιχείων, έχει:

• τη μέγιστη κλίση του χαρακτηριστικού απόσβεσης·

• Υψηλή εξασθένηση στη ζώνη μη εκπομπής.

• ελάχιστη και σταθερή εξασθένηση στη ζώνη διέλευσης.

• μέγιστη σταθερότητα της χαρακτηριστικής σύνθετης αντίστασης στη ζώνη διέλευσης.

• γραμμική απόκριση φάσης.

• τη δυνατότητα εύκολης και ομαλής προσαρμογής της ζώνης συχνοτήτων και του πλάτους της.

• σταθερότητα χαρακτηριστικών που δεν εξαρτώνται από: τάσεις (ρεύματα) που δρουν στην είσοδο του φίλτρου, θερμοκρασία και υγρασία του περιβάλλοντος, καθώς και από την επίδραση εξωτερικών ηλεκτρικών και μαγνητικών διαταραχών.

• ικανότητα εργασίας σε διαφορετικές περιοχές συχνοτήτων.

• το μέγεθος, το βάρος και το κόστος του φίλτρου πρέπει να περιορίζονται στο ελάχιστο.

Δυστυχώς, δεν υπάρχει κανένας στοιχειώδης τύπος φίλτρου του οποίου τα χαρακτηριστικά να πληρούν όλες αυτές τις απαιτήσεις. Επομένως, ανάλογα με τις ειδικές συνθήκες, χρησιμοποιούνται τέτοιοι τύποι φίλτρων, τα χαρακτηριστικά των οποίων πληρούν καλύτερα τις τεχνικές απαιτήσεις. Πολύ συχνά είναι απαραίτητο να εφαρμοστούν φίλτρα σε πολύπλοκα κυκλώματα που αποτελούνται από στοιχειώδεις συνδέσεις διαφόρων τύπων.

Οι πιο συνηθισμένοι τύποι φίλτρων

Στο σχ. Το σχήμα 1 δείχνει το διάγραμμα ενός απλού φίλτρου σχήματος L με επαγωγέα L και πυκνωτή C συνδεδεμένα μεταξύ του δέκτη rpr και του ανορθωτή V.

Τα εναλλασσόμενα ρεύματα σε όλες τις συχνότητες συναντούν μια σημαντική αντίσταση πηνίου και ένας παράλληλα συνδεδεμένος πυκνωτής περνά τα υπολειπόμενα ρεύματα υψηλής συχνότητας κατά μήκος του παράλληλου κλάδου. Αυτό μειώνει σημαντικά τους κυματισμούς τάσης στο φορτίο. rNS.

Μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν φίλτρα που αποτελούνται από δύο ή περισσότερους παρόμοιους συνδέσμους. Μερικές φορές χρησιμοποιούνται απλά φίλτρα με αντιστάσεις αντί για επαγωγείς.

Ρύζι. 1.Το απλούστερο εξομαλυντικό ηλεκτρικό φίλτρο σε σχήμα L

Πιο προηγμένα είναι τα φίλτρα συντονισμού που χρησιμοποιούν φαινόμενα συντονισμού.

Όταν ο επαγωγέας και ο πυκνωτής συνδέονται σε σειρά, όταν fwL = 1 / (kwV), το κύκλωμα θα έχει την υψηλότερη αγωγιμότητα (ενεργό) στη συχνότητα fw και αρκετά υψηλές αγωγιμότητα στη ζώνη συχνοτήτων κοντά στον συντονισμό. Αυτό το κύκλωμα είναι ένα απλό φίλτρο διέλευσης ζώνης.

Όταν ο επαγωγέας και ο πυκνωτής συνδέονται παράλληλα, ένα τέτοιο κύκλωμα θα έχει τη χαμηλότερη αγωγιμότητα στη συχνότητα συντονισμού και σχετικά χαμηλή αγωγιμότητα στη ζώνη συχνοτήτων κοντά στη συχνότητα συντονισμού. Ένα τέτοιο φίλτρο είναι ένα φίλτρο αποκλεισμού για μια συγκεκριμένη ζώνη συχνοτήτων.

Για να βελτιωθεί η απόδοση ενός απλού ζωνοπερατού φίλτρου, είναι δυνατό να χρησιμοποιηθεί ένα σχήμα (Εικ. 2) στο οποίο ένας επαγωγέας και ένας πυκνωτής συνδέονται παράλληλα μεταξύ τους παράλληλα με τον δέκτη. Ένα τέτοιο κύκλωμα είναι επίσης συντονισμένο σε συντονισμό με τη συχνότητα των κατσικιών και παρουσιάζει πολύ υψηλή αντίσταση για ρεύματα στην επιλεγμένη ζώνη συχνοτήτων και πολύ μικρότερη αντίσταση για ρεύματα άλλων συχνοτήτων.

Ρύζι. 2. Σχηματική απεικόνιση ενός απλού φίλτρου διέλευσης ζώνης

Ένα παρόμοιο φίλτρο μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε διαμορφωτές που παράγουν διαμορφωμένες ταλαντώσεις σε συγκεκριμένη συχνότητα. Μια τάση σήματος χαμηλής συχνότητας Uc εφαρμόζεται στον διαμορφωτή M, ο οποίος μετατρέπεται σε διαμορφωμένες ταλαντώσεις υψηλής συχνότητας και το φίλτρο διαχωρίζει την τάση από την απαιτούμενη συχνότητα, η οποία τροφοδοτείται στο φορτίο rNS.

Ας υποθέσουμε, για παράδειγμα, ότι ένα μη ημιτονικό εναλλασσόμενο ρεύμα ρέει μέσα από το κύκλωμα και ότι πολύ μεγάλα τρίτα και πέμπτα αρμονικά ρεύματα πρέπει να εξαλειφθούν από την καμπύλη ρεύματος του δέκτη.Στη συνέχεια, θα συμπεριλάβουμε εναλλάξ δύο κυκλώματα συντονισμένα σε συντονισμό για την τρίτη και την πέμπτη αρμονική στο κύκλωμα (Εικ. 3, α).

Μια αντίσταση αριστερής γραμμής συντονισμένη σε συντονισμό για συχνότητα 3w θα είναι πολύ μεγάλη για αυτή τη συχνότητα και μικρή για όλες τις άλλες αρμονικές. παρόμοιο ρόλο παίζει και το δεξί κύκλωμα συντονισμένο σε συντονισμό για συχνότητα 5w... Επομένως, η καμπύλη ρεύματος του δέκτη εισόδου δεν θα περιέχει σχεδόν την τρίτη και την πέμπτη αρμονική (Εικ. 3, β), οι οποίες θα καταστέλλονται από το φίλτρο.

Ρύζι. 3. Σχέδιο με συνδεδεμένα σε σειρά κυκλώματα συντονισμού συντονισμένα σε συντονισμό για την τρίτη και την πέμπτη αρμονική: α — διάγραμμα κυκλώματος. β — καμπύλες τάσης και κυκλώματος και ρεύμα εισόδου του δέκτη

Ρύζι. 4. Καμπύλη τάσης εξόδου φίλτρου ζώνης

Σε ορισμένες περιπτώσεις, εκτελούνται πιο εξελιγμένα band-pass φίλτρα, καθώς και φίλτρα αποκοπής που περνούν ή δεν περνούν ταλαντώσεις ξεκινώντας από μια συγκεκριμένη συχνότητα. Τέτοια φίλτρα αποτελούνται από συνδέσεις σχήματος Τ ή U.

Η αρχή λειτουργίας των φίλτρων είναι ότι στη ζώνη συχνοτήτων των συχνοτήτων, για παράδειγμα, ένα φίλτρο διέλευσης ζώνης, ο συντονισμός εμφανίζεται σε n + 1 συχνότητες, όπου n είναι ο αριθμός των συνδέσεων. Μια καμπύλη Uout = f (w) για ένα τέτοιο φίλτρο που αποτελείται από τρεις συνδέσεις φαίνεται στο Σχ. 4. Ο συντονισμός εμφανίζεται στις συχνότητες w1, w2, w3 και w4.

Δείτε επίσης για αυτό το θέμα: Φίλτρα ισχύος καιΦίλτρα εισόδου και εξόδου για μετατροπείς συχνότητας