Школа для Электрика. Все Секреты Мастерства. Образовательный сайт по электротехнике  
 
 


 

Основы электроники

 

Общий принцип построения пассивных LC-фильтров (ФНЧ и ФВЧ)


Когда в цепи необходимо подавить переменные токи определенного частотного спектра, но при этом эффективно пропустить токи с частотами, находящимися выше или ниже этого спектра, может пригодиться пассивный LC-фильтр на реактивных элементах — фильтр нижних частот ФНЧ (если необходимо эффективно пропустить колебания с частотой ниже заданной) или фильтр верхних частот ФВЧ (при необходимости эффективно пропустить колебания с частотой выше заданной).

Пассивный LC-фильтр на реактивных элементах

Принцип построения данных фильтров основывается на свойствах индуктивностей и емкостей по разному вести себя в цепях переменного тока.

Общеизвестно, что индуктивное сопротивление катушки прямо пропорционально частоте тока, проходящего через нее, следовательно чем выше частота тока, текущего через катушку, — тем большее реактивное сопротивление она этому току оказывает, то есть сильнее задерживает переменные токи на частотах более высоких и легче пропускает токи с частотами более низкими.

Конденсатор — напротив - чем выше частота тока — тем легче данный переменный ток через него проникает, а чем ниже частота тока — тем большим препятствием для тока оказывается этот конденсатор. Схематически фильтры нижних и верхних частот бывают Г-образными, Т-образными и П-образными (многозвенными).

Г-образный LC-фильтр

Г-образный фильтр — элементарный электронный фильтр, состоящий из катушки индуктивностью L и конденсатора емкостью C. Амплитудно-частотная характеристика такой цепи зависит от порядка соединения двух элементов (L и C) относительно той точки, куда подается фильтруемый сигнал и от величин L и C.

Практически величины L и C подбираются так, чтобы их реактивные сопротивления в рабочем диапазоне частот были бы примерно в 100 раз меньше сопротивления нагрузки, дабы сильно понизить шунтирующее действие последней на АЧХ фильтра.

Частота, на которой амплитуда подаваемого на фильтр сигнала снижается до 0,7 от своего первоначального значения, называется частотой среза (спада). Идеальный фильтр обладает вертикально крутым спадом.

Г-образный LC-фильтр

Итак, в зависимости от последовательности соединения катушки индуктивности L и конденсатора C относительно источника сигнала и нулевой шины, получится фильтр верхних частот — ФВЧ или фильтр нижних частот — ФНЧ.

Приницип работы фильтра

Фактически эти цепи представляют собой делители напряжения, причем в плечах делителя установлены реактивные элементы, сопротивления которых для переменного тока зависят от частоты.

Здесь можно легко вычислить падения напряжений на каждом из элементов фильтра, приняв во внимание, что на частоте среза падение напряжения на выходе фильтра должно быть равно 0,7 амплитуды входного напряжения. Значит соотношение между реактивными сопротивлениями должно быть 0,3/0,7 — исходя из данного соотношения рассчитывается делитель, составляющий фильтр.

При разомкнутой цепи нагрузки, в фильтрах нижних частот при превышении частотой входного сигнала частоты резонанса LC-цепи фильтра, амплитуда на выходе начинает резко снижаться. В фильтрах верхних частот при понижении частоты входного сигнала ниже частоты резонанса LC-цепи фильтра, амплитуда на выходе также начинает падать. На практике LC-фильтры как таковые без нагрузки не используются.

Т-образный LC-фильтр

Т-образный LC-фильтр

Для того чтобы ослабить шунтирующее действие фильтра на чувствительные цепи, подключенные за ним, применяют Т-образные фильтры. Здесь к Г-образному звену, со стороны его выхода, добавляется дополнительный реактивный элемент.

Практически рассчитанная для Г-образного LC-фильтра емкость или индуктивность заменяется последовательным включением пары одинаковых элементов, чтобы их суммарное реактивное сопротивление было бы равно расчетному элементу, который заменяется на данную пару (ставят две вдвое меньших индуктивности или два вдвое больших по емкости конденсатора).

П-образный LC-фильтр

П-образный LC-фильтр

Добавляя дополнительный элемент к Г-образному звену, но не сзади, а спереди, получают П-образный фильтр. Такая схема сильнее шунтирует источник входного сигнала. Здесь добавляемый элемент составляет половину расчетной для Г-образного звена емкости (которая просто делится на два емкостных элемента) либо удвоенную величину индуктивности, которая теперь получается параллельным включением двух катушек.

Чем больше в фильтре звеньев — тем точнее получится фильтрация. В итоге наибольшую амплитуду на нагрузке будет иметь та частота, которая для данного фильтра окажется ближе всего к его резонансной частоте (условие - индуктивная составляющая звена равна на этой частоте его емкостной составляющей), остальная часть спектра будет подавлена.

Применение многозвенных фильтров делает возможным очень точно выделять сигнал нужной частоты из зашумленного сигнала. Даже если амплитуда на частоте среза относительно мала, остальная часть диапазона будет подавлена общим действием звеньев фильтра.