Električni filtri — definicija, klasifikacija, karakteristike, glavne vrste

Industrijski izvori energije pružaju praktične sinusne krivulje napona… Istodobno, u nizu slučajeva, izmjenične struje i naponi, koji su periodični, oštro se razlikuju od harmoničkih.

Električni filtri mogu se koristiti za izglađivanje naponskih valova u ispravljačima, demodulatorima koji pretvaraju amplitudno modulirane visokofrekventne oscilacije u relativno spore promjene napona signala i drugim sličnim uređajima.

U najjednostavnijem slučaju, možete se ograničiti na serijsku vezu s opterećenjem induktori, čiji otpor raste s povećanjem harmonijskog reda i relativno je mali za niskofrekventne oscilacije, a još više za konstantnu komponentu. Učinkovitije je koristiti filtre u obliku slova U, T i L.

Osnovni pojmovi i podjela električnih filtara

Selektivnost filtra je njegova sposobnost odabira određenog raspona frekvencija svojstvenih korisnom signalu iz cijelog frekvencijskog spektra struja koje ulaze u njegov ulaz.

Da bi se postigla dobra selektivnost, filtar mora propuštati struje na frekvencijama svojstvenim željenom signalu uz minimalno prigušenje i imati maksimalno prigušenje za struje na svim ostalim frekvencijama. U skladu s ovim filtrom može se dati sljedeća definicija.

Električni filtar naziva se četveropolni uređaj koji prenosi struje u određenom frekvencijskom pojasu s malim prigušenjem (širinom pojasa), a struje s frekvencijama izvan tog pojasa - s velikim prigušenjem ili, kako se obično kaže, ne prolazi (ne- prijenosni pojas).

Prema strukturi strujnih krugova filtri se dijele na lančane (stupne) i mosne. Lančani filtri su filtri izrađeni prema premosnim krugovima u obliku slova T, P i L. Mosni filtri su filtri napravljeni na mosnom krugu.

Ovisno o prirodi elemenata, filteri se dijele na:

• LC — čiji su elementi induktivitet i kapacitet;

• RC — čiji su elementi aktivni otpori i kapaciteti;

• rezonator — čiji su elementi rezonatori.

Prema prisutnosti izvora energije u krugu filtera, oni se dijele na:

• pasivno - ne sadrži izvore energije u krugu;

• aktivni — sadrže izvore energije u krugu u obliku lampe ili kristalnog pojačala; ponekad zvani filtri aktivnih elemenata.

Za potpunu karakterizaciju rada filtra potrebno je poznavati njegove električne karakteristike, koje uključuju frekvencijske ovisnosti prigušenja, faznog pomaka i karakteristične impedancije.

Najbolji je filter koji uz minimalan broj elemenata ima:

• najveća strmina karakteristike prigušenja;

• visoko prigušenje u nepredajnom pojasu;

• minimalno i konstantno prigušenje u propusnom pojasu;

• najveća postojanost karakteristične impedancije u propusnom pojasu;

• linearni fazni odziv;

• mogućnost jednostavnog i glatkog podešavanja frekvencijskog pojasa i njegove širine;

• postojanost karakteristika koje ne ovise o: naponima (strujama) koji djeluju na ulazu filtera, temperaturi i vlažnosti okoline, kao i utjecaju vanjskih električnih i magnetskih smetnji;

• sposobnost rada u različitim frekvencijskim rasponima;

• veličina, težina i cijena filtra moraju biti minimalni.

Nažalost, ne postoji niti jedan elementarni tip filtera koji svojim karakteristikama zadovoljava sve ove zahtjeve. Stoga se ovisno o specifičnim uvjetima koriste takve vrste filtara čije karakteristike najbolje odgovaraju tehničkim zahtjevima. Vrlo često je potrebno primijeniti filtre na složene sklopove koji se sastoje od elementarnih veza različitih vrsta.

Najčešći tipovi filtera

Na sl. Slika 1 prikazuje dijagram jednostavnog filtra u obliku slova L s induktorom L i kondenzatorom C spojenim između prijemnika rpr i ispravljača V.

Izmjenične struje na svim frekvencijama nailaze na značajan otpor induktora, a paralelno spojeni kondenzator propušta rezidualne visokofrekventne struje duž paralelne grane. Ovo značajno smanjuje valovitost napona u opterećenju. rNS.

Mogu se koristiti i filtri koji se sastoje od dvije ili više sličnih veza. Ponekad se umjesto induktora koriste jednostavni filtri s otpornicima.

Riža. 1.Najjednostavniji zaglađujući električni filtar u obliku slova L

Napredniji su rezonantni filteri koje koriste rezonantne pojave.

Kada su induktor i kondenzator spojeni u seriju, kada je fwL = 1 / (kwV), krug će imati najveću vodljivost (aktivnu) na frekvenciji fw i prilično visoku vodljivost u frekvencijskom pojasu blizu rezonancije. Ovaj sklop je jednostavan pojasni filtar.

Kada su induktor i kondenzator spojeni paralelno, takav krug će imati najnižu vodljivost na rezonantnoj frekvenciji i relativno nisku vodljivost u frekvencijskom pojasu blizu rezonantne frekvencije. Takav filtar je blokirajući filtar za određeni frekvencijski pojas.

Kako bi se poboljšala izvedba jednostavnog pojasnog filtra, moguće je upotrijebiti shemu (slika 2) u kojoj su induktor i kondenzator međusobno paralelno spojeni paralelno s prijamnikom. Takav krug je također podešen u rezonanciji s frekvencijom koza i predstavlja vrlo visok otpor za struje u odabranom frekvencijskom pojasu i mnogo manji otpor za struje drugih frekvencija.

Riža. 2. Shema jednostavnog pojasnog filtra

Sličan filtar može se koristiti u modulatorima koji proizvode modulirane oscilacije na određenoj frekvenciji. Na modulator M dovodi se niskofrekventni signalni napon Uc koji se pretvara u modulirane visokofrekventne oscilacije, a filtar odvaja napon od tražene frekvencije koji se dovodi do trošila rNS.

Pretpostavimo, na primjer, da nesinusoidalna izmjenična struja teče kroz strujni krug i da vrlo velike struje trećeg i petog harmonika treba eliminirati iz krivulje struje prijemnika.Zatim ćemo naizmjenično uključiti dva kruga podešena na rezonanciju za treći i peti harmonik u krugu (slika 3, a).

Impedancija lijevog voda podešena na rezonanciju za frekvenciju od 3w bit će vrlo velika za tu frekvenciju i mala za sve ostale harmonike; sličnu ulogu igra desni krug podešen na rezonanciju za frekvenciju 5w... Stoga strujna krivulja ulaznog prijemnika gotovo neće sadržavati treći i peti harmonik (Sl. 3, b), koji će biti potisnut filtar.

Riža. 3. Shema sa serijski spojenim rezonantnim krugovima podešenim na rezonanciju za treći i peti harmonik: a — shema spoja; b — krivulje napona i kruga i struje inp prijemnika

Riža. 4. Krivulja izlaznog napona pojasnog filtra

U nekim slučajevima se izvode sofisticiraniji band-pass filtri, kao i cut-off filtri koji propuštaju ili ne propuštaju oscilacije počevši od određene frekvencije. Takvi se filtri sastoje od priključaka u obliku slova T ili U.

Princip rada filtara je da se u frekvencijskom pojasu frekvencija, na primjer, pojasni filtar, javlja rezonancija na n + 1 frekvencija, gdje je n broj veza. Krivulja Uout = f (w) za takav filtar sastavljen od tri veze prikazana je na sl. 4. Rezonancija se javlja na frekvencijama w1,w2, w3 i w4.

Vidi također o ovoj temi: Filtri za napajanje iUlazni i izlazni filtri za pretvarače frekvencije