Лекция 26

Лекция 26

Электрические фильтры, разновидности, принцип работы, область применения, схемы включения. LC-фильтры.

Вопросы лекции:

1. Определение фильтров.

2. Классификация фильтров.

3. Схемы и принцип работы LC фильтров.

Фильтр (от лат. filtrum — «войлок») — понятия, устройства, механизмы, выделяющие (или удаляющие) из исходного объекта некоторую часть с заданными свойствами.

Электрический фильтр — это устройство, предназначенное для выделения или подавления электрических сигналов заданных частот. По характеру полосы пропускаемых частот фильтры делятся на шесть типов:

Рис.26.1

По характеру полосы пропускаемых частот фильтры делятся на шесть типов:

1) ФНЧ (фильтр нижних частот) — пропускает сигналы с частотой от 0 до f_в (f_в=ω_в/2π).

2) ФВЧ (фильтр верхних частот) — пропускает сигналы с частотой от f_н до ∞

3) ФПЧ (полосовой фильтр) — пропускает сигналы с частотой от f_н до f_в.

4) РФ (режекторный фильтр) — не пропускает сигналы заданной частоты или полосы частот

5) ГПФ (гребенчатый фильтр) — фильтр, имеющий несколько полос пропускания.

6) РГФ (режекторный гребенчатый фильтр) — фильтр, имеющий несколько полос подавления.

Основные характеристики электрических фильтров — это полоса пропускания и избирательность.

Границы полос пропускания (ω_в, ω_н) определяются по частотам, на которых коэффициент усиления Ко уменьшается в √2≈0,7 раз.

Избирательность — мера, характеризующая способность фильтра разделять две группы колебаний с близкими частотами. Она определяется крутизной спада коэффициента передачи К(ω) на переходном участке от полосы пропускания к полосе подавления. Обычно крутизна спада оценивается в логарифмических единицах, Дб/окт: Δ=20Lg(K(ω₂)/K(ω₁)), где ω₂=2ω₁, то есть октавой называется увеличение частоты в 2 раза.

Рис.26.2

Фильтры бывают пассивные — состоящие только из пассивных элементов (резистор, конденсатор, катушка индуктивности) и активные — в состав которых входят усилительные элементы.

Пассивные фильтры используют только энергию фильтруемого сигнала, активные — используют дополнительно подведенную энергию, например, источника питания.

По затуханию в полосе не пропускания фильтры делятся на фильтры Баттерворта, Бесселя и Чебышева, эллиптические и др.

Рис.26.3. Фильтры Бесселя, Баттерворта, Чебышева.

Фильтры Баттерворта имеют максимально гладкую амплитудно-частотную характеристику на частотах полосы пропускания и снижающуюся почти до нуля на частотах подавления.

Фильтр Бесселя (Гауса). Фильтр Бесселя обладает максимально гладкой групповой задержкой. В широком диапазоне частот сдвиг по фазе входного и выходного сигнала пропорционален частоте, что определяет линейность фазочастотной характеристики. АЧХ фильтра Бесселя нижних частот спадает не так круто, как у фильтра Баттерворта и Чебышева, что является недостатком. Однако преимущество фильтра Бесселя – оптимальная, с очень малым положительным выбросом переходная характеристика.

Фильтр Чебышева 1-го рода. Амплитудно-частотная характеристика фильтра Чебышева наиболее круто переходит от полосы пропускания к полосе непрозрачности.

Фильтр Чебышева 1-го рода имеет неравномерности амплитудно-частотной характеристики в полосе пропускания, а фильтр Чебышева 2-города – в полосе подавления, по остальным показателям мало отличаясь от рассматриваемого фильтра Чебышева 1-го рода.

По применяемым элементам фильтры делятся на

По схемному решению фильтры различают на: RC фильтры; LC фильтры; пьезоэлектрические фильтры; магнитострикционные фильтры; механические фильтры.

RC фильтры обладают наиболее низкими характеристиками, т.к. сопротивление активного резистора одинаково на постоянном и переменном токе. LC фильтры обладают низкими характеристиками, т.к. сопротивление добротность Q=X_L/R=10÷400, кроме того такие фильтры имеют большие габариты (из-за L) особенно на низких частотах.

Пьезоэлектрические фильтры обладают значительно лучшими характеристиками. Их принцип работы основан на пьезоэффекте – колебание пластинки с собственной частотой под воздействием электрического напряжения и, наоборот, при возбуждение ЭДС при механическом колебании пьезоэлектрической пластинки. Среди пьезоэлектрических фильтров особое место занимают кварцевые фильтры, так как они обладают Q >1000.

Для построения высококачественных фильтров используют также магнитострикционный эффект. Он заключается в том, что если ферромагнитный элемент поместить в магнитное поле, то при изменении напряженности этого поля изменяются и геометрические размеры ферроэлемента. Возможен и обратный магнитострикционный эффект: при изменении размеров ферромагнитного материала на зажимах катушки, намотанной на нем, возникнет переменное напряжение.

Электромеханические фильтры, представляют собой разновидность магнито-стрикционных фильтров.

Более удобны в производстве и настройке (и более дешевы) электромеханические фильтры (ЭМФ). ЭМФ реализуется аналогично пьезомеханическому, но с использованием магнитострикционного эффекта. ЭМФ могут выделить достаточно узкую полосу частот с крутыми скатами в полосе непропускания. ЭМФ широко применяются в диапазоне 125…500 кГц.

· Г-образные;

· П-образные;

· Т-отбразные

· Двойные Т-образные

· Мост Вина

· и т.д.

Рис. 26.4. Некоторые типы фильтров: а) – Г-образный RC фильтр; б) – Г-образный LC фильтр; в) – П-образный RC фильтр; г) – П-образный LC фильтр; д) – Т-образный RC фильтр; е) – Т-образный LC фильтр; ж) – двойной Т-образный RC фильтр; з) – RC фильтр – мост Вина.

На рис. 26.3 изображены схемы некоторых видов односекционных фильтров. Включая последовательно несколько секций, можно увеличивать затухание в полосе непропускания.

Контрольные вопросы:

1. Для чего предназначены фильтры?

2. Как классифицируются фильтры?

3. Чем различаются фильтры Бесселя, Баттерворта и Чебышева?

4. Какие типы фильтров вы знаете?

5. Как классифицируются фильтры по применяемым элементам?