Filtri elettrici: definizione, classificazione, caratteristiche, tipi principali

Le fonti di energia industriale forniscono pratico curve di tensione sinusoidali… Allo stesso tempo, in un certo numero di casi, le correnti e le tensioni alternate, che sono periodiche, differiscono nettamente da quelle armoniche.

I filtri elettrici possono essere utilizzati per attenuare le onde di tensione nei raddrizzatori, demodulatori che convertono le oscillazioni ad alta frequenza modulate in ampiezza in variazioni relativamente lente della tensione del segnale e altri dispositivi simili.

Nel caso più semplice, puoi limitarti alla connessione seriale con il carico induttori, la cui resistenza aumenta con l'aumentare dell'ordine armonico ed è relativamente piccola per le oscillazioni a bassa frequenza e ancora di più per la componente costante. È più efficace utilizzare filtri a forma di U, a forma di T ea forma di L.

Definizioni di base e classificazione dei filtri elettrici

La selettività del filtro è la sua capacità di selezionare un certo intervallo di frequenze inerenti al segnale utile dall'intero spettro di frequenze delle correnti che entrano nel suo ingresso.

Per ottenere una buona selettività, il filtro deve far passare correnti a frequenze inerenti al segnale desiderato con minima attenuazione e avere massima attenuazione per correnti a tutte le altre frequenze. In accordo con questo filtro, può essere data la seguente definizione.

Un filtro elettrico è chiamato un dispositivo a quattro poli che trasmette correnti in una certa banda di frequenza con poca attenuazione (larghezza di banda) e correnti con frequenze al di fuori di questa banda - con alta attenuazione o, come si dice di solito, non passa (non- banda di trasmissione).

Secondo la struttura dei circuiti, i filtri sono divisi in filtri a catena (colonna) e a ponte. I filtri a catena sono filtri realizzati secondo circuiti a ponte a forma di T, P e L. I filtri a ponte sono filtri realizzati su un circuito a ponte.

A seconda della natura degli elementi, i filtri sono suddivisi in:

• LC — i cui elementi sono induttanza e capacità;

• RC — i cui elementi sono resistenze e capacità attive;

• risonatore — i cui elementi sono risonatori.

In base alla presenza di fonti di energia nel circuito del filtro, sono suddivise in:

• passivo - non contenente fonti di energia nel circuito;

• attivo - contenente fonti di energia nel circuito sotto forma di una lampada o di un amplificatore di cristallo; a volte chiamati filtri di elementi attivi.

Per una caratterizzazione completa delle prestazioni del filtro, è necessario conoscerne le caratteristiche elettriche, che includono le dipendenze in frequenza dell'attenuazione, dello sfasamento e dell'impedenza caratteristica.

Il migliore è un filtro che, con un numero minimo di elementi, abbia:

• la pendenza massima della caratteristica di smorzamento;

• elevata attenuazione nella banda non trasmittente;

• attenuazione minima e costante nella banda passante;

• costanza massima dell'impedenza caratteristica in banda passante;

• risposta di fase lineare;

• la possibilità di regolare facilmente e agevolmente la banda di frequenza e la sua larghezza;

• costanza di caratteristiche che non dipendono da: tensioni (correnti) agenti all'ingresso del filtro, temperatura e umidità dell'ambiente, nonché dall'influenza di disturbi elettrici e magnetici esterni;

• capacità di lavorare in diverse gamme di frequenza;

• le dimensioni, il peso e il costo del filtro devono essere ridotti al minimo.

Sfortunatamente, non esiste un singolo tipo elementare di filtro le cui caratteristiche soddisfino tutti questi requisiti. Pertanto, a seconda delle condizioni specifiche, vengono utilizzati tali tipi di filtri, le cui caratteristiche soddisfano al meglio i requisiti tecnici. Molto spesso è necessario applicare dei filtri a circuiti complessi costituiti da connessioni elementari di vario tipo.

I tipi più comuni di filtri

Nella fig. 1 mostra lo schema di un semplice filtro a forma di L con induttore L e condensatore C collegato tra ricevitore rpr e raddrizzatore V.

Le correnti alternate a tutte le frequenze incontrano una significativa resistenza dell'induttore e un condensatore collegato in parallelo fa passare le correnti residue ad alta frequenza lungo il ramo parallelo. Ciò riduce significativamente le ondulazioni di tensione nel carico. RNS.

Possono essere utilizzati anche filtri costituiti da due o più collegamenti simili. A volte vengono utilizzati semplici filtri con resistori al posto degli induttori.

Riso. 1.Il più semplice filtro elettrico levigante a forma di L

Più avanzati sono i filtri risonanti che usano fenomeni di risonanza.

Quando l'induttore e il condensatore sono collegati in serie, quando fwL = 1 / (kwV), il circuito avrà la massima conducibilità (attiva) alla frequenza fw e conducibilità piuttosto elevate nella banda di frequenza vicina alla risonanza. Questo circuito è un semplice filtro passa banda.

Quando l'induttore e il condensatore sono collegati in parallelo, tale circuito avrà la conducibilità più bassa alla frequenza di risonanza e una conduttività relativamente bassa nella banda di frequenza vicina alla frequenza di risonanza. Tale filtro è un filtro di blocco per una determinata banda di frequenza.

Per migliorare le prestazioni di un semplice filtro passa-banda, è possibile utilizzare uno schema (Fig. 2) in cui un induttore e un condensatore sono collegati in parallelo tra loro in parallelo al ricevitore. Tale circuito è anche sintonizzato in risonanza con la frequenza delle capre e presenta una resistenza molto elevata per le correnti nella banda di frequenza selezionata e una resistenza molto inferiore per le correnti di altre frequenze.

Riso. 2. Schema di un semplice filtro passa-banda

Un filtro simile può essere utilizzato nei modulatori che producono oscillazioni modulate a una frequenza specifica. Al modulatore M viene applicata una tensione di segnale a bassa frequenza Uc, che viene convertita in oscillazioni modulate ad alta frequenza, e il filtro separa la tensione dalla frequenza richiesta, che viene alimentata al carico rNS.

Supponiamo, ad esempio, che una corrente alternata non sinusoidale scorra attraverso il circuito e che le correnti di terza e quinta armonica molto elevate debbano essere eliminate dalla curva di corrente del ricevitore.Successivamente, includeremo alternativamente due circuiti sintonizzati sulla risonanza per la terza e la quinta armonica nel circuito (Fig. 3, a).

Un'impedenza di linea sinistra sintonizzata sulla risonanza per una frequenza di 3w sarà molto grande per quella frequenza e piccola per tutte le altre armoniche; un ruolo simile è svolto dal circuito giusto sintonizzato sulla risonanza per frequenza 5w... Pertanto, la curva di corrente del ricevitore di ingresso quasi non conterrà la terza e la quinta armonica (Fig. 3, b), che saranno soppresse dal filtro.

Riso. 3. Schema con circuiti risonanti collegati in serie sintonizzati sulla risonanza per la terza e la quinta armonica: a - schema elettrico; b — curve di tensione e circuito e corrente inp del ricevitore

Riso. 4. Curva della tensione di uscita del filtro passa-banda

In alcuni casi vengono eseguiti filtri passa-banda più sofisticati, nonché filtri cut-off che passano o non passano oscillazioni a partire da una certa frequenza. Tali filtri sono costituiti da connessioni a forma di T oa forma di U.

Il principio di funzionamento dei filtri è che nella banda di frequenza delle frequenze, ad esempio un filtro passa-banda, la risonanza si verifica a n + 1 frequenze, dove n è il numero di connessioni. Una curva Uout = f (w) per un tale filtro composto da tre connessioni è mostrata in Fig. 4. La risonanza si verifica alle frequenze w1, w2, w3 e w4.

Vedi anche su questo argomento: Filtri di potenza EFiltri di ingresso e uscita per convertitori di frequenza