Sähkösuodattimet — määritelmä, luokitus, ominaisuudet, päätyypit

Teolliset energialähteet tarjoavat käytännöllistä sinimuotoiset jännitekäyrät… Samaan aikaan useissa tapauksissa vaihtovirrat ja -jännitteet, jotka ovat jaksollisia, eroavat jyrkästi harmonisista.

Sähkösuodattimia voidaan käyttää tasasuuntaajien jänniteaaltojen tasoittamiseen, demodulaattoreihin, jotka muuttavat amplitudimoduloidut suurtaajuiset värähtelyt suhteellisen hitaiksi signaalijännitteen muutoksiksi, ja muissa vastaavissa laitteissa.

Yksinkertaisimmassa tapauksessa voit rajoittua sarjaliitäntään kuorman kanssa induktorit, jonka resistanssi kasvaa harmonisen järjestyksen kasvaessa ja on suhteellisen pieni matalataajuisille värähtelyille ja vielä enemmän vakiokomponentille. On tehokkaampaa käyttää U-, T- ja L-muotoisia suodattimia.

Sähkösuodattimien perusmääritelmät ja luokittelu

Suodattimen selektiivisyys on sen kyky valita tietty hyötysignaalille ominaista taajuusalue sen tuloon tulevien virtojen koko taajuusspektristä.

Hyvän selektiivisyyden saavuttamiseksi suodattimen on läpäistävä virrat taajuuksilla, jotka ovat ominaisia ​​halutulle signaalille minimaalisella vaimennuksella ja vaimennuksena on oltava maksimi virroille kaikilla muilla taajuuksilla. Tämän suodattimen mukaisesti voidaan antaa seuraava määritelmä.

Sähkösuodatinta kutsutaan nelinapaiseksi laitteeksi, joka välittää virtoja tietyllä taajuuskaistalla pienellä vaimenemisella (kaistanleveydellä) ja virtoja, joiden taajuudet ovat tämän kaistan ulkopuolella - suurella vaimennuksella tai, kuten yleensä sanotaan, ei läpäise (ei- lähetystaajuus).

Piirien rakenteen mukaan suodattimet jaetaan ketju- (pylväs) ja siltasuodattimiin. Ketjusuodattimet ovat T-, P- ja L-muotoisten siltapiirien mukaan valmistettuja suodattimia. Siltasuodattimet ovat siltapiiriin valmistettuja suodattimia.

Elementtien luonteesta riippuen suodattimet jaetaan:

• LC — jonka elementit ovat induktanssi ja kapasitanssi;

• RC — joiden elementit ovat aktiiviset vastukset ja kapasiteetit;

• resonaattori - jonka elementit ovat resonaattoreita.

Suodatinpiirissä olevien energialähteiden mukaan ne jaetaan:

• passiivinen – ei sisällä energialähteitä piirissä;

• aktiivinen - sisältää energialähteitä piirissä lampun tai kristallivahvistimen muodossa; kutsutaan joskus aktiivielementtisuodattimiksi.

Suodattimen suorituskyvyn täydellinen karakterisointi edellyttää sen sähköisten ominaisuuksien tuntemista, joihin kuuluvat vaimennuksen, vaihesiirron ja ominaisimpedanssin taajuusriippuvuudet.

Paras on suodatin, jossa on vähimmäismäärä elementtejä:

• vaimennusominaisuuden suurin jyrkkyys;

• suuri vaimennus ei-lähetyskaistalla;

• minimaalinen ja jatkuva vaimennus päästökaistalla;

• päästökaistan ominaisimpedanssin maksimivakaus;

• lineaarinen vaihevaste;

• mahdollisuus helposti ja sujuvasti säätää taajuuskaistaa ja sen leveyttä;

• ominaisuuksien pysyvyys, jotka eivät riipu: suodattimen tuloon vaikuttavista jännitteistä (virroista), ympäristön lämpötilasta ja kosteudesta sekä ulkoisten sähköisten ja magneettisten häiriöiden vaikutuksesta;

• kyky työskennellä eri taajuusalueilla;

• suodattimen koko, paino ja hinta on pidettävä mahdollisimman pieninä.

Valitettavasti ei ole olemassa yhtä perussuodatinta, jonka ominaisuudet täyttävät kaikki nämä vaatimukset. Siksi erityisolosuhteista riippuen käytetään sellaisia ​​suodattimia, joiden ominaisuudet vastaavat parhaiten teknisiä vaatimuksia. Hyvin usein on tarpeen käyttää suodattimia monimutkaisiin piireihin, jotka koostuvat eri tyyppisistä perusliitännöistä.

Yleisimmät suodatintyypit

Kuvassa Kuva 1 esittää kaavion yksinkertaisesta L-muotoisesta suodattimesta, jossa induktori L ja kondensaattori C on kytketty vastaanottimen rpr ja tasasuuntaajan V väliin.

Vaihtovirrat kaikilla taajuuksilla kohtaavat merkittävän induktorin resistanssin, ja rinnankytketty kondensaattori siirtää korkeataajuiset jäännösvirrat rinnakkaishaaraa pitkin. Tämä vähentää merkittävästi jännitteen aaltoilua kuormassa. rNS.

Voidaan käyttää myös kahdesta tai useammasta samankaltaisesta linkistä koostuvia suodattimia. Joskus induktorien sijasta käytetään yksinkertaisia ​​vastuksilla varustettuja suodattimia.

Riisi. 1.Yksinkertaisin tasoittava L-muotoinen sähkösuodatin

Edistyneempiä ovat heidän käyttämänsä resonanssisuodattimet resonanssi-ilmiöitä.

Kun induktori ja kondensaattori on kytketty sarjaan, kun fwL = 1 / (kwV), piirillä on suurin johtavuus (aktiivinen) taajuudella fw ja melko korkeat johtavuudet taajuuskaistalla lähellä resonanssia. Tämä piiri on yksinkertainen kaistanpäästösuodatin.

Kun induktori ja kondensaattori on kytketty rinnan, tällaisella piirillä on alhaisin johtavuus resonanssitaajuudella ja suhteellisen alhainen johtavuus taajuuskaistalla lähellä resonanssitaajuutta. Tällainen suodatin on estosuodatin tietylle taajuuskaistalle.

Yksinkertaisen kaistanpäästösuotimen suorituskyvyn parantamiseksi on mahdollista käyttää kaaviota (kuva 2), jossa induktori ja kondensaattori on kytketty rinnakkain rinnakkain vastaanottimen kanssa. Tällainen piiri on myös viritetty resonanssiin vuohien taajuuden kanssa ja se tarjoaa erittäin korkean resistanssin valitun taajuuskaistan virroille ja paljon vähemmän vastusta muiden taajuuksien virroille.

Riisi. 2. Kaavio yksinkertaisesta kaistanpäästösuodattimesta

Samanlaista suodatinta voidaan käyttää modulaattoreissa, jotka tuottavat moduloituja värähtelyjä tietyllä taajuudella. Modulaattoriin M syötetään matalataajuinen signaalijännite Uc, joka muunnetaan moduloiduiksi suurtaajuisiksi värähtelyiksi ja suodatin erottaa jännitteen vaaditusta taajuudesta, joka syötetään kuormaan rNS.

Oletetaan esimerkiksi, että piirin läpi kulkee ei-sinimuotoinen vaihtovirta ja että vastaanottimen virtakäyrältä tulee eliminoida erittäin suuri kolmas ja viides harmoninen virta.Seuraavaksi sisällytämme vuorotellen kaksi piiriä, jotka on viritetty resonanssiin kolmannelle ja viidennelle harmoniselle piiriin (kuva 3, a).

Vasemman linjan impedanssi, joka on viritetty resonanssiin taajuudella 3w, on erittäin suuri tälle taajuudelle ja pieni kaikille muille harmonisille; samanlainen rooli on oikealla taajuudelle 5w resonanssiin viritetyllä piirillä... Siksi tulovastaanottimen virtakäyrä ei juuri sisällä kolmatta ja viidettä harmonista (kuva 3, b), jotka vaimentuvat suodattaa.

Riisi. 3. Kaavio sarjaan kytketyillä resonanssipiireillä, jotka on viritetty resonanssiin kolmannelle ja viidennelle harmoniselle: a — piirikaavio; b — vastaanottimen jännitteen ja piirin sekä virran inp käyrät

Riisi. 4. Kaistanpäästösuodattimen lähtöjännitekäyrä

Joissakin tapauksissa suoritetaan kehittyneempiä kaistanpäästösuodattimia sekä katkaisusuodattimia, jotka läpäisevät tai eivät läpäise tietyltä taajuudella alkavia värähtelyjä. Tällaiset suodattimet koostuvat T- tai U-muotoisista liitännöistä.

Suodattimien toimintaperiaate on, että taajuuksien taajuuskaistalla, esimerkiksi kaistanpäästösuodattimella, resonanssia esiintyy n + 1 taajuudella, missä n on yhteyksien lukumäärä. Kuvassa 1 on esitetty käyrä Uout = f (w) tällaiselle kolmesta liitännästä koostuvalle suodattimelle. 4. Resonanssia esiintyy taajuuksilla w1,w2, w3 ja w4.

Katso myös tästä aiheesta: Tehosuodattimet jaTaajuusmuuttajien tulo- ja lähtösuodattimet