Elektrische filters — definitie, classificatie, kenmerken, hoofdtypen

Industriële energiebronnen bieden praktisch sinusvormige spanningscurven… Tegelijkertijd verschillen wisselstromen en spanningen, die periodiek zijn, in een aantal gevallen sterk van harmonische.

Elektrische filters kunnen worden gebruikt om spanningsgolven in gelijkrichters, demodulatoren die amplitude-gemoduleerde hoogfrequente oscillaties omzetten in relatief langzame veranderingen in signaalspanning en andere soortgelijke apparaten, af te vlakken.

In het eenvoudigste geval kunt u zich beperken tot een seriële verbinding met de belasting inductoren, waarvan de weerstand toeneemt met toenemende harmonische orde en relatief klein is voor laagfrequente oscillaties en nog meer voor de constante component. Het is effectiever om U-vormige, T-vormige en L-vormige filters te gebruiken.

Basisdefinities en classificatie van elektrische filters

De selectiviteit van het filter is zijn vermogen om een ​​bepaald bereik van frequenties te selecteren die inherent zijn aan het bruikbare signaal uit het gehele frequentiespectrum van stromen die de invoer binnenkomen.

Om een ​​goede selectiviteit te verkrijgen, moet het filter stromen bij frequenties die inherent zijn aan het gewenste signaal met minimale verzwakking doorlaten en maximale verzwakking hebben voor stromen bij alle andere frequenties. Overeenkomstig dit filter kan de volgende definitie worden gegeven.

Een elektrisch filter heet een vierpolig apparaat dat stromen in een bepaalde frequentieband met weinig verzwakking (bandbreedte) doorlaat, en stromen met frequenties buiten deze band — met hoge verzwakking of, zoals men gewoonlijk zegt, niet doorlaat (niet- transmissieband).

Volgens de structuur van de circuits zijn filters verdeeld in ketting- (kolom) en brugfilters. Kettingfilters zijn filters gemaakt volgens T-, P- en L-vormige brugschakelingen. Brugfilters zijn filters gemaakt op een brugcircuit.

Afhankelijk van de aard van de elementen zijn filters onderverdeeld in:

• LC — waarvan elementen inductantie en capaciteit zijn;

• RC — elementen waarvan actieve weerstanden en capaciteiten zijn;

• resonator — waarvan de elementen resonatoren zijn.

Afhankelijk van de aanwezigheid van energiebronnen in het filtercircuit, zijn ze onderverdeeld in:

• passief - geen energiebronnen in het circuit bevatten;

• actief - met energiebronnen in het circuit in de vorm van een lamp of kristalversterker; ook wel filters met actieve elementen genoemd.

Voor een volledige karakterisering van de filterprestaties is het noodzakelijk om de elektrische kenmerken ervan te kennen, waaronder de frequentie-afhankelijkheden van verzwakking, faseverschuiving en karakteristieke impedantie.

Het beste is een filter dat, met een minimaal aantal elementen, beschikt over:

• de maximale steilheid van de dempingskarakteristiek;

• hoge demping in de niet-zendband;

• minimale en constante demping in de doorlaatband;

• maximale constantheid van de karakteristieke impedantie in de doorlaatband;

• lineaire faserespons;

• de mogelijkheid van gemakkelijke en soepele aanpassing van de frequentieband en de breedte ervan;

• constantheid van kenmerken die niet afhankelijk zijn van: spanningen (stromen) die werken op de filteringang, temperatuur en vochtigheid van de omgeving, evenals de invloed van externe elektrische en magnetische storingen;

• vermogen om in verschillende frequentiebereiken te werken;

• de grootte, het gewicht en de kosten van het filter moeten tot een minimum worden beperkt.

Helaas is er geen enkel elementair type filter waarvan de eigenschappen aan al deze eisen voldoen. Daarom worden, afhankelijk van de specifieke omstandigheden, dergelijke soorten filters gebruikt, waarvan de kenmerken het best voldoen aan de technische vereisten. Heel vaak is het nodig om filters toe te passen op complexe circuits die bestaan ​​uit elementaire verbindingen van verschillende typen.

De meest voorkomende soorten filters

In afb. 1 toont het schema van een eenvoudig L-vormig filter met zelfinductie L en condensator C geschakeld tussen ontvanger rpr en gelijkrichter V.

De wisselstromen bij alle frequenties ontmoeten een aanzienlijke inductorweerstand en een parallel geschakelde condensator geeft de resterende hoogfrequente stromen door langs de parallelle tak. Hierdoor worden spanningsrimpels in de belasting aanzienlijk verminderd. rNS.

Er kunnen ook filters worden gebruikt die uit twee of meer vergelijkbare links bestaan. Soms worden eenvoudige filters met weerstanden gebruikt in plaats van inductoren.

Rijst. 1.Het eenvoudigste gladmakende L-vormige elektrische filter

Geavanceerder zijn de resonantiefilters die ze gebruiken resonantie verschijnselen.

Wanneer de inductor en condensator in serie zijn geschakeld, wanneer fwL = 1 / (kwV), zal het circuit de hoogste geleidbaarheid (actief) hebben bij de frequentie fw en vrij hoge geleidbaarheden in de frequentieband dicht bij de resonantie. Deze schakeling is een eenvoudig banddoorlaatfilter.

Wanneer de inductor en condensator parallel zijn geschakeld, heeft zo'n circuit de laagste geleidbaarheid bij de resonantiefrequentie en een relatief lage geleidbaarheid in de frequentieband dicht bij de resonantiefrequentie. Zo'n filter is een sperfilter voor een bepaalde frequentieband.

Om de prestaties van een eenvoudig banddoorlaatfilter te verbeteren, is het mogelijk om een ​​​​schema (figuur 2) te gebruiken waarin een inductor en een condensator parallel aan elkaar parallel aan de ontvanger zijn aangesloten. Zo'n schakeling is ook in resonantie afgestemd op de frequentie van de bokken en biedt een zeer hoge weerstand voor stromen in de geselecteerde frequentieband en veel minder weerstand voor stromen van andere frequenties.

Rijst. 2. Schema van een eenvoudig banddoorlaatfilter

Een soortgelijk filter kan worden gebruikt in modulatoren die gemoduleerde oscillaties op een specifieke frequentie produceren. Een laagfrequente signaalspanning Uc wordt aangelegd aan de modulator M, die wordt omgezet in gemoduleerde hoogfrequente oscillaties, en het filter scheidt de spanning van de vereiste frequentie, die wordt toegevoerd aan de belasting rNS.

Stel bijvoorbeeld dat er een niet-sinusvormige wisselstroom door de schakeling vloeit en dat zeer grote derde en vijfde harmonische stromen uit de ontvangerstroomcurve moeten worden geëlimineerd.Vervolgens zullen we afwisselend twee circuits opnemen die zijn afgestemd op resonantie voor de derde en vijfde harmonischen in het circuit (Fig. 3, a).

Een linkerlijnimpedantie afgestemd op resonantie voor een frequentie van 3w zal erg groot zijn voor die frequentie en klein voor alle andere harmonischen; een vergelijkbare rol wordt gespeeld door het rechter circuit dat is afgestemd op resonantie voor frequentie 5w... Daarom zal de huidige curve van de ingangsontvanger bijna niet de derde en vijfde harmonischen bevatten (Fig. 3, b), die zullen worden onderdrukt door de filter.

Rijst. 3. Schema met in serie geschakelde resonantiekringen afgestemd op resonantie voor de derde en vijfde harmonische: a — schakelschema; b — krommen van spanning en circuit en stroom inp van de ontvanger

Rijst. 4. Banddoorlaatfilter uitgangsspanningscurve

In sommige gevallen worden meer geavanceerde banddoorlaatfilters uitgevoerd, evenals afsnijfilters die oscillaties vanaf een bepaalde frequentie wel of niet doorlaten. Dergelijke filters bestaan ​​uit T-vormige of U-vormige aansluitingen.

Het werkingsprincipe van filters is dat in de frequentieband van frequenties, bijvoorbeeld een banddoorlaatfilter, resonantie optreedt bij n + 1 frequenties, waarbij n het aantal verbindingen is. In Fig. 4. Resonantie treedt op bij frequenties w1,w2, w3 en w4.

Zie ook over dit onderwerp: Krachtige filters EnIngangs- en uitgangsfilters voor frequentieomvormers