Filtres elèctrics — definició, classificació, característiques, tipus principals

Les fonts d'energia industrial ofereixen pràctiques corbes de tensió sinusoïdals… Al mateix temps, en diversos casos, els corrents i les tensions alterns, que són periòdics, difereixen fortament dels harmònics.

Els filtres elèctrics es poden utilitzar per suavitzar ones de tensió en rectificadors, demoduladors que converteixen oscil·lacions d'alta freqüència modulades en amplitud en canvis relativament lents en la tensió del senyal i altres dispositius similars.

En el cas més senzill, podeu limitar-vos a la connexió en sèrie amb la càrrega inductors, la resistència del qual augmenta amb l'augment de l'ordre harmònic i és relativament petita per a oscil·lacions de baixa freqüència i encara més per a la component constant. És més eficaç utilitzar filtres en forma de U, T i L.

Definicions bàsiques i classificació dels filtres elèctrics

La selectivitat del filtre és la seva capacitat per seleccionar un determinat rang de freqüències inherents al senyal útil de tot l'espectre de freqüències dels corrents que entren a la seva entrada.

Per obtenir una bona selectivitat, el filtre ha de passar corrents a freqüències inherents al senyal desitjat amb una atenuació mínima i tenir una atenuació màxima per a corrents a totes les altres freqüències. D'acord amb aquest filtre, es pot donar la següent definició.

Un filtre elèctric s'anomena dispositiu de quatre pols que transmet corrents en una determinada banda de freqüències amb poca atenuació (amplada de banda), i corrents amb freqüències fora d'aquesta banda —amb alta atenuació o, com se sol dir, no passa (no banda de transmissió).

Segons l'estructura dels circuits, els filtres es divideixen en filtres de cadena (columna) i ponts. Els filtres de cadena són filtres fets segons circuits de pont en forma de T, P i L. Els filtres pont són filtres fets en un circuit pont.

Segons la naturalesa dels elements, els filtres es divideixen en:

• LC — elements dels quals són la inductància i la capacitat;

• RC — elements dels quals són resistències i capacitats actives;

• ressonador: els elements dels quals són ressonadors.

Segons la presència de fonts d'energia al circuit del filtre, es divideixen en:

• passiu: no conté fonts d'energia al circuit;

• actiu: que conté fonts d'energia al circuit en forma de làmpada o amplificador de cristall; de vegades anomenats filtres d'elements actius.

Per a una caracterització completa del rendiment del filtre, és necessari conèixer les seves característiques elèctriques, que inclouen les dependències de freqüència de l'atenuació, el canvi de fase i la impedància característica.

El millor és un filtre que, amb un nombre mínim d'elements, tingui:

• la inclinació màxima de la característica d'amortiment;

• alta atenuació a la banda de no transmissió;

• atenuació mínima i constant a la banda de pas;

• màxima constància de la impedància característica a la banda de pas;

• resposta de fase lineal;

• la possibilitat d'ajustament fàcil i suau de la banda de freqüència i la seva amplada;

• constància de característiques que no depenen de: tensions (corrents) que actuen a l'entrada del filtre, temperatura i humitat de l'ambient, així com la influència de pertorbacions elèctriques i magnètiques externes;

• capacitat de treballar en diferents rangs de freqüència;

• la mida, el pes i el cost del filtre s'han de reduir al mínim.

Malauradament, no existeix un únic tipus elemental de filtre les característiques del qual compleixin tots aquests requisits. Per tant, depenent de les condicions específiques, s'utilitzen aquests tipus de filtres, les característiques dels quals compleixen millor els requisits tècnics. Molt sovint és necessari aplicar filtres a circuits complexos que consisteixen en connexions elementals de diversos tipus.

Els tipus de filtres més comuns

A la fig. La figura 1 mostra el diagrama d'un filtre simple en forma de L amb l'inductor L i el condensador C connectats entre el receptor rpr i el rectificador V.

Els corrents alterns a totes les freqüències es troben amb una resistència de l'inductor important i un condensador connectat en paral·lel fa passar els corrents residuals d'alta freqüència al llarg de la branca paral·lela. Això redueix significativament les ondulacions de tensió a la càrrega. rNS.

També es poden utilitzar filtres formats per dos o més enllaços similars. De vegades s'utilitzen filtres simples amb resistències en lloc d'inductors.

Arròs. 1.El filtre elèctric en forma de L suavitzant més senzill

Més avançats són els filtres ressonants que utilitzen fenòmens de ressonància.

Quan l'inductor i el condensador estan connectats en sèrie, quan fwL = 1 / (kwV), el circuit tindrà la major conductivitat (activa) a la freqüència fw i conductivitats força altes a la banda de freqüència propera a la ressonància. Aquest circuit és un filtre de pas de banda simple.

Quan l'inductor i el condensador estan connectats en paral·lel, aquest circuit tindrà la conductivitat més baixa a la freqüència de ressonància i una conductivitat relativament baixa a la banda de freqüència propera a la freqüència de ressonància. Aquest filtre és un filtre de bloqueig per a una determinada banda de freqüència.

Per millorar el rendiment d'un filtre de pas de banda simple, és possible utilitzar un esquema (Fig. 2) en què un inductor i un condensador estan connectats en paral·lel entre si en paral·lel al receptor. Aquest circuit també està sintonitzat en ressonància amb la freqüència de les cabres i presenta una resistència molt alta per als corrents a la banda de freqüències seleccionada i molta menys resistència per a corrents d'altres freqüències.

Arròs. 2. Esquema d'un filtre passabanda simple

Un filtre similar es pot utilitzar en moduladors que produeixen oscil·lacions modulades a una freqüència específica. S'aplica una tensió de senyal de baixa freqüència Uc al modulador M, que es converteix en oscil·lacions modulades d'alta freqüència, i el filtre separa la tensió de la freqüència requerida, que s'alimenta a la càrrega rNS.

Suposem, per exemple, que un corrent altern no sinusoïdal flueix pel circuit i que els corrents harmònics de tercer i cinquè molt grans s'han d'eliminar de la corba de corrent del receptor.A continuació, inclourem alternativament dos circuits afinats a la ressonància per al tercer i cinquè harmònic del circuit (Fig. 3, a).

Una impedància de la línia esquerra sintonitzada a la ressonància per a una freqüència de 3w serà molt gran per a aquesta freqüència i petita per a la resta d'harmònics; un paper similar té el circuit correcte sintonitzat a la ressonància per a la freqüència 5w... Per tant, la corba de corrent del receptor d'entrada gairebé no contindrà els harmònics tercer i cinquè (Fig. 3, b), que seran suprimits pel filtre.

Arròs. 3. Esquema amb circuits ressonants connectats en sèrie sintonitzats a la ressonància per als harmònics tercer i cinquè: a — diagrama de circuits; b — corbes de voltatge i circuit i corrent inp del receptor

Arròs. 4. Corba de voltatge de sortida del filtre passabanda

En alguns casos, es realitzen filtres de pas de banda més sofisticats, així com filtres de tall que passen o no passen oscil·lacions a partir d'una determinada freqüència. Aquests filtres consisteixen en connexions en forma de T o en forma d'U.

El principi de funcionament dels filtres és que a la banda de freqüències de freqüències, per exemple, un filtre passabanda, la ressonància es produeix a n + 1 freqüències, on n és el nombre de connexions. A la Fig. 4. La ressonància es produeix a les freqüències w1,w2, w3 i w4.

Veure també sobre aquest tema: Filtres de potència iFiltres d'entrada i sortida per a convertidors de freqüència