Электрические фильтры

Электрические фильтры – четырехполюсники, содержащие реактивные элементы, которые либо задерживают, либо пропускают к приемнику токи одного или нескольких заданных диапазонов частот. Электрические фильтры широко применяются в радиотехнике, связи, электроэнергетике и т. д.

В основе принципа действия фильтра лежит зависимость его эквивалентного сопротивления Z_э от частоты. Комбинируя схемы соединения индуктивности и емкости, можно получить фильтры следующих типов:

Низкочастотные – пропускают токи в диапазоне частот 0 – ω₀.

Z_э

L L

ω₀ ω

Т-образная схема. Широко применяются в качестве сглаживающих выпрямительных устройств.

Высокочастотные.

Z_э

C C

Полосовые пропускают токи в заданном диапазоне частот ω₁ – ω₂.

L₁C₁ Z_э

L₂ C₂

ω₁ ω₂ ω

Заградительные имеют полосу пропускания тока от 0 до ω₁ и от ω₂ до ∞.

C C Z_э

L L L

ω₁ ω₂ ω

В маломощных электрических цепях (в радиоэлектронике, связи) полосовые и заградительные фильтры часто выполняют на основе резисторов и конденсаторов.

Низкочастотный RC-фильтр используется для сглаживания пульсаций тока в маломощных выпрямительных схемах.

Z_э

R C

Включение активного сопротивления необходимо для ограничения тока при подключении схемы к источнику питания. При отсутствии R в момент включения X_c очень мало и источник оказывается в режиме короткого замыкания. Введение R хотя и увеличивает потери мощности, но обеспечивает защиту источника от короткого замыкания.

Сглаживающие фильтры.

Для питания ряда узлов электронной аппаратуры обычно требуется постоянное напряжение. Напряжение на выходе выпрямительных схем является или пульсирующим (трехфазный выпрямитель), или импульсным (одно- и двухполупериодный выпрямитель). Для того, чтобы выпрямленное напряжение имело требуемую форму, применяют сглаживающие фильтры.

Количественно работа фильтра характеризуется коэффициентом сглаживания пульсаций q, который показывает, во сколько раз уменьшается пульсация при прохождении сигнала через данный фильтр:

, где – коэффициент пульсаций до прохождения фильтра,

– коэффициент пульсаций после прохождения фильтра.

Кроме того, в фильтре не должно быть значительных потерь постоянной составляющей выпрямленного напряжения.

Сглаживающие фильтры подразделяются на емкостные, индуктивные, индуктивно-емкостные и резисторно-емкостные.

Наиболее простой емкостной фильтр. Работа основана на способности конденсатора быстро запасать электроэнергию, а затем относительно медленно отдавать ее в нагрузку.

U_д

U C_ф R_н

U_н=U_c

Когда U_д=u-U_c>0, диод открыт и С_ф заряжается (t₁÷t₂). Так как сопротивление Д мало, то С_ф успевает зарядиться почти до u.

U_н, U_н

i_c i_c

t₁ t₂ t

Когда U-U_c<0, диод закрыт и C_ф медленно разряжается через R_н до тех пор, пока напряжение источника u снова не станет больше U_c. Время зарядки зависит от постоянной времени τ=C_фR_н, которая показывает, в течение какого времени напряжение на C_ф уменьшится в 2,72 раза.

Емкостные фильтры используются в выпрямителях малой мощности.

В выпрямителях с большими токами применяют индуктивные фильтры (дроссель с относительно большой индуктивностью).

Др R_н

U₁ U₂ b

u_ab,

i_н u_ab i_н

За счет явления самоиндукции ток i_н не падает до нуля при нулевом напряжении U_ab и коэффициент пульсации заметно меньше (в однополупериодном выпрямителе применение нецелесообразно).

На практике применяют комбинированные фильтры:

L_ф L_ф

C_фR_нC_ф C_ф R_н

Г-образный П-образный

Эти фильтры обеспечивают хорошее сглаживание тока в нагрузке. Напряжение на входе фильтра – сумма постоянной составляющей и целого ряда гармоник. На индуктивном сопротивлении выделяется большая часть переменной, а на емкостном – большая часть постоянной составляющей напряжения выпрямителя.

В маломощных схемах дроссель может быть заменен резистором. Уменьшается масса, габариты и стоимость, однако сглаживание ухудшается.

Пример. Конденсатор хорошо сглаживает пульсации, если выполняется условие