Термин фильтрация принят в электротехнике для обозначения того аспекта обработки сигналов, который связан с удалением из сигнала нежелательных компонентов, таких как шум.
До появления цифровой техники, особенно цифровых компьютеров, фильтрация производилась исключительно с помощью электрических цепей или устройств, называемых фильтрами. Они могут быть линейными или нелинейными в зависимости от типа цепей или устройств (линейных или нелинейных), из которых они построены.
Промышленные источники энергии обеспечивают практически синусоидальные кривые изменения напряжения. Вместе с тем в ряде случаев переменные токи и напряжения, являясь периодическими, резко отличаются от гармонических.
Электрические фильтры могут применяться для сглаживания пульсаций напряжения выпрямителей, демодуляторов, которые преобразуют модулированные по амплитуде колебания высокой частоты в относительно медленные изменения напряжения сигнала, и в других подобных устройствах.
В самом простейшем случае можно ограничиться включением последовательно с нагрузкой катушки индуктивности, сопротивление которой увеличивается с возрастанием порядка гармонической и сравнительно невелико для низкочастотных колебаний, и тем более для постоянной составляющей. Более эффективно применение П-образных, Т-образных и Г-образных фильтров.
Основные определения и классификация электрических фильтров
Избирательностью фильтра называется способность его выделять определенный диапазон частот, присущих полезному сигналу из всего спектра частот токов, поступающих на его вход.
Для получения хорошей избирательности фильтр должен пропускать тока с частотами, присущими полезному сигналу с минимальным затуханием, и иметь максимальное затухание для токов всех других частот. В соответствии с этим фильтру можно дать следующее определение.
Электрическим фильтром называется четырехполюсник, пропускающий токи в определенной полосе частот с небольшим затуханием (полоса пропускания), а токи с частотами, лежащими вне этой полосы,— с большим затуханием, или, как условно принята говорить, не пропускает (полоса непропускания).
По структуре схем фильтры разделяются на цепочечные (лестничные) и мостиковые. Цепочечными называются фильтры, выполненные по Т-, П- и Г-образно-мостиковым схемам. Мостиковыми называются фильтры, выполненные по мостиковой схеме.
В зависимости от характера элементов фильтры разделяются на:
-
LC — элементами которых являются индуктивности и емкости;
-
RC — элементами которых являются активные сопротивления и емкости;
-
резонаторные — элементами которых являются резонаторы.
По наличию в схеме фильтров источников энергии их разделяют на:
-
пассивные — не содержащие внутри схемы источников энергии;
-
активные — содержащие внутри схемы источники энергии в виде лампового или кристаллического усилителя; иногда их называют фильтрами с активными элементами.
Для всесторонней характеристики работы фильтра необходимо знать его электрические характеристики, к которым относятся частотные зависимости затухания, фазового сдвига и характеристического сопротивления.
Наилучшим является такой фильтр, который при минимальном количестве элементов обладает:
-
максимальной крутизной характеристики затухания;
-
большим затуханием в полосе непропускания;
-
минимальным и постоянным затуханием в полосе пропускания;
-
максимальным постоянством характеристического сопротивления в полосе пропускания;
-
линейной фазовой характеристикой;
-
возможностью простой и плавной регулировки полосы пропускания и ее ширины;
-
постоянством характеристик, не зависящих от: напряжений (токов), действующих на входе фильтра, температуры и влажности окружающей среды, а также влияния посторонних электрических и магнитных помех;
-
возможностью работы в различных диапазонах частот;
-
при этом габариты, вес и стоимость фильтра должны быть минимальными.
К сожалению, нет ни одного элементарного типа фильтров, характеристики которого удовлетворяли бы всем этим требованиям. Поэтому в зависимости от конкретных условий применяются такие типы фильтров, характеристики которых больше всего удовлетворяют предъявляемым техническим требованиям,. Очень часто приходится применять фильтры сложных схем, состоящих из элементарных звеньев различного типа.
Самые распространенные виды фильтров
На рис. 1 показана схема простого Г-образного фильтра с катушкой индуктивности L и конденсатором С, включенными между приемником rпр и выпрямителем В.
Переменные токи всех частот встречают значительное сопротивление катушки индуктивности, а включенный параллельно конденсатор пропускает по параллельной ветви остаточные токи высоких частот. Благодаря этому значительно уменьшаются пульсации напряжения на нагрузке rпр.
Могут применяться и фильтры, состоящие из двух и более подобных звеньев. Иногда используются упрощенные фильтры с резисторами вместо катушек индуктивности.
Рис. 1. Простейший сглаживающий Г-образный электрический фильтр
Более совершенными являются резонансные фильтры, в которых используются явления резонанса.
При последовательном соединении катушки индуктивности и конденсатора, когда fwL= 1/(кwС), цепь будет иметь наибольшую проводимость (активную) при частоте fw и достаточно высокие проводимости в полосе частот, близких к резонансной. Такая цепь является простым полосовым фильтром.
При параллельном соединении катушки индуктивности и конденсатора такая цепь будет иметь наименьшую проводимость при резонансной частоте и относительно малые проводимости в полосе частот, близких к резонансной. Такой фильтр является заградительным для некоторой полосы частот.
Для улучшения характеристики простого полосового фильтра можно применять схему (рис. 2), в которой параллельно приемнику включены параллельно друг другу катушка индуктивности и конденсатор. Такая цепь настроена также в резонанс на частоту коз и представляет очень большое сопротивление для токов выбранной полосы частот и значительно меньшее сопротивление — для токов других частот.
Рис. 2. Схема простого полосового электрического фильтра
Подобный фильтр может применяться в модуляторах, которые выдают модулированные колебания определенной частоты. На модулятор М подается напряжение Uc сигнала низкой частоты, которое преобразовывается в модулированные колебания высокой частоты, а фильтр выделяет напряжение требуемой частоты, которое подается на нагрузку rпр.
Для примера предположим, что через цепь протекает несинусоидальный переменный ток и нужно устранить из кривой тока приемника очень большие по значению третью и пятую гармонические. Тогда последовательно в цепь включим два контура, настроенные в резонанс для третьей и пятой гармонических (рис. 3, а).
Сопротивление левого контура, настроенного в резонанс для частоты 3w, будет очень велико для этой частоты и мало для всех других гармонических; аналогичную роль выполняет правый контур, настроенный в резонанс для частоты 5w. Поэтому в кривой тока приемника inp почти не будут содержаться третья и пятая гармонические (рис. 3,б), которые окажутся подавленными фильтром.
Рис. 3. Цепь с последовательно включенными резонансными контурами, настроенными в резонанс для третьей и пятой гармонических: а — схема цепи; б — кривые напряжения и цепи и тока inp приемника
Рис. 4. Кривая напряжения на выходе полосового фильтра
Выполняются в некоторых случаях и более совершенные полосовые фильтры, а также режущие фильтры, пропускающие или не пропускающие колебания, начиная с некоторой частоты. Такие фильтры состоят из Т-образных или П-образных звеньев.
Принцип действия фильтров заключается в том, что в полосе пропускания частот, например полосового фильтра, наступает резонанс при n+1 частотах, где n - число звеньев. Кривая Uвых = f(w) для такого фильтра, составленного из трех звеньев, показана на рис. 4. Резонанс имеет место при частотах w1,w2, w3 и w4.
Смотрите также по этой теме: Фильтры источников питания и Входные и выходные фильтры для частотных преобразователей