Električni filtri — definicija, razvrstitev, značilnosti, glavne vrste

Industrijski viri energije zagotavljajo praktično sinusne krivulje napetosti… Hkrati se v številnih primerih izmenični tokovi in ​​napetosti, ki so periodični, močno razlikujejo od harmoničnih.

Električni filtri se lahko uporabljajo za glajenje napetostnih valov v usmernikih, demodulatorjih, ki pretvarjajo amplitudno modulirana visokofrekvenčna nihanja v razmeroma počasne spremembe signalne napetosti in drugih podobnih napravah.

V najpreprostejšem primeru se lahko omejite na serijsko povezavo z obremenitvijo induktorji, katerega upor narašča z naraščanjem harmoničnega reda in je relativno majhen za nizkofrekvenčna nihanja, še bolj pa za konstantno komponento. Učinkovitejša je uporaba filtrov v obliki črke U, T in L.

Osnovne definicije in klasifikacija električnih filtrov

Selektivnost filtra je njegova sposobnost, da iz celotnega frekvenčnega spektra tokov, ki vstopajo v njegov vhod, izbere določeno območje frekvenc, ki so del uporabnega signala.

Da bi dosegli dobro selektivnost, mora filter prepuščati tokove na frekvencah, ki so lastne želenemu signalu, z minimalnim slabljenjem in imeti največje slabljenje za tokove na vseh drugih frekvencah. V skladu s tem filtrom je mogoče podati naslednjo definicijo.

Električni filter se imenuje štiripolna naprava, ki prenaša tokove v določenem frekvenčnem pasu z majhnim slabljenjem (pasovno širino) in tokove s frekvencami zunaj tega pasu - z velikim slabljenjem ali, kot se običajno reče, ne prehaja (ne- prenosni pas).

Glede na strukturo tokokrogov delimo filtre na verižne (stebrne) in mostne. Verižni filtri so filtri izdelani po mostičnih vezjih v obliki črke T, P in L. Mostni filtri so filtri narejeni na mostičnem vezju.

Glede na naravo elementov so filtri razdeljeni na:

• LC — katerega elementi so induktivnost in kapacitivnost;

• RC — katerega elementi so aktivni uporniki in kapacitete;

• resonator — katerega elementi so resonatorji.

Glede na prisotnost virov energije v filtrirnem krogu jih delimo na:

• pasivni - brez virov energije v tokokrogu;

• aktivni — vsebujejo vire energije v tokokrogu v obliki svetilke ali kristalnega ojačevalnika; včasih imenovani filtri aktivnih elementov.

Za popolno karakterizacijo delovanja filtra je treba poznati njegove električne značilnosti, ki vključujejo frekvenčne odvisnosti slabljenja, faznega zamika in karakteristične impedance.

Najboljši je filter, ki ima z minimalnim številom elementov:

• največja strmina karakteristike dušenja;

• visoko dušenje v neprepustnem pasu;

• minimalno in konstantno slabljenje v prepustnem pasu;

• največja konstantnost karakteristične impedance v prepustnem pasu;

• linearni fazni odziv;

• možnost enostavne in gladke prilagoditve frekvenčnega pasu in njegove širine;

• konstantnost karakteristik, ki niso odvisne od: napetosti (tokov), ki delujejo na vhodu filtra, temperature in vlažnosti okolja ter vpliva zunanjih električnih in magnetnih motenj;

• sposobnost dela v različnih frekvenčnih območjih;

• velikost, teža in stroški filtra morajo biti minimalni.

Na žalost ne obstaja en sam elementarni tip filtra, katerega lastnosti bi ustrezale vsem tem zahtevam. Zato se glede na posebne pogoje uporabljajo takšne vrste filtrov, katerih značilnosti najbolje ustrezajo tehničnim zahtevam. Zelo pogosto je treba uporabiti filtre za kompleksna vezja, sestavljena iz elementarnih povezav različnih vrst.

Najpogostejše vrste filtrov

Na sl. 1 prikazuje diagram preprostega filtra v obliki črke L z induktorjem L in kondenzatorjem C, priključenim med sprejemnikom rpr in usmernikom V.

Izmenični tokovi pri vseh frekvencah se srečujejo z znatnim uporom induktorja, vzporedno vezan kondenzator pa prepušča preostale visokofrekvenčne tokove vzdolž vzporedne veje. To znatno zmanjša valovanje napetosti v bremenu. rNS.

Uporabijo se lahko tudi filtri, sestavljeni iz dveh ali več podobnih povezav. Včasih se namesto induktorjev uporabljajo preprosti filtri z upori.

riž. 1.Najenostavnejši gladilni električni filter v obliki črke L

Naprednejši so resonančni filtri, ki jih uporabljajo resonančni pojavi.

Ko sta induktor in kondenzator povezana zaporedno, ko je fwL = 1 / (kwV), bo imelo vezje največjo prevodnost (aktivno) pri frekvenci fw in precej visoko prevodnost v frekvenčnem pasu blizu resonance. To vezje je preprost pasovni filter.

Ko sta induktor in kondenzator povezana vzporedno, bo imelo takšno vezje najnižjo prevodnost pri resonančni frekvenci in relativno nizko prevodnost v frekvenčnem pasu blizu resonančne frekvence. Tak filter je blokirni filter za določen frekvenčni pas.

Za izboljšanje delovanja preprostega pasovnega filtra je možno uporabiti shemo (slika 2), v kateri sta induktor in kondenzator povezana vzporedno drug z drugim vzporedno s sprejemnikom. Takšno vezje je tudi uglašeno v resonanco s frekvenco koz in predstavlja zelo visok upor za tokove v izbranem frekvenčnem pasu in veliko manjši upor za tokove drugih frekvenc.

riž. 2. Shema preprostega pasovnega filtra

Podoben filter je mogoče uporabiti v modulatorjih, ki proizvajajo modulirana nihanja na določeni frekvenci. Na modulator M se dovede nizkofrekvenčna signalna napetost Uc, ki se pretvori v modulirana visokofrekvenčna nihanja, filter pa loči napetost od zahtevane frekvence, ki se napaja na breme rNS.

Recimo, da na primer nesinusni izmenični tok teče skozi tokokrog in da je treba iz tokovne krivulje sprejemnika izločiti zelo velika toka tretjega in petega harmonika.Nato bomo v vezju izmenično vključili dve vezji, uglašeni na resonanco za tretji in peti harmonik (slika 3, a).

Impedanca levega voda, uglašena na resonanco za frekvenco 3w, bo zelo velika za to frekvenco in majhna za vse druge harmonike; podobno vlogo igra desno vezje, uglašeno na resonanco za frekvenco 5w ... Zato trenutna krivulja vhodnega sprejemnika skoraj ne bo vsebovala tretjega in petega harmonika (slika 3, b), ki ga bo potlačil filter.

riž. 3. Shema z zaporedno povezanimi resonančnimi vezji, uglašenimi na resonanco za tretji in peti harmonik: a - shema vezja; b — krivulje napetosti in tokokroga in toka inp sprejemnika

riž. 4. Krivulja izhodne napetosti pasovnega filtra

V nekaterih primerih se izvajajo bolj izpopolnjeni pasovni filtri, pa tudi izklopni filtri, ki prepuščajo ali ne prepuščajo nihanj, ki se začnejo pri določeni frekvenci. Takšni filtri so sestavljeni iz priključkov v obliki črke T ali U.

Načelo delovanja filtrov je, da se v frekvenčnem pasu frekvenc, na primer pri pasovnem filtru, pojavi resonanca pri n + 1 frekvencah, kjer je n število povezav. Krivulja Uout = f (w) za tak filter, sestavljen iz treh povezav, je prikazana na sl. 4. Resonanca se pojavi pri frekvencah w1, w2, w3 in w4.

Glej tudi na to temo: Napajalni filtri inVhodni in izhodni filtri za frekvenčne pretvornike