breadcrumbs_revolution_theme

Фильтрами называют устройства, пропускающие токи одной частоты или полосы частот и задерживающие токи в других частот

Различают разделительные трансформаторы  нижних частот, верхних частот, полосовые и режекторные. Фильтры нижних частот пропускают без ослабления токи всех частот ниже некоторой граничной частоты и задерживают токи всех частот выше ее. Фильтры верхних частот пропускают без ослабления токи всех частот выше граничной и задерживают токи всех частот ниже ее. Полосовые фильтры пропускают без ослабления токи определенной полосы частот между верхней и нижней граничными частотами и не пропускают токи всех остальных частот. Режекторные фильтры пропускают токи всех частот, кроме некоторой полосы.

Реальные фильтры вносят некоторые затухание для токов частот, лежащих в полосе пропускания, а затухание токов частот, соответствующих полосе непропускания, а затухание токов частот, соответствующих полосе непропускания, никогда не достигает бесконечности. Переходит от полосы пропускания в полосе непропускания происходит не скачком, а постепенно. При этом за полосу пропускания происходит не скачком, а постепенно. При этом за полосу пропускания принимают полосу f, при которой затухание не превышает 3 дБ соответствует затуханию сигнала по мощности в 2 раза. Характеристика реального полосового фильтра отличается от прямоугольной, чем лучше фильтр, тем выше крутизна ветвей, тем ближе характеристика к прямоугольной. Это качества фильтра характеризуют коэффициентом прямоугольности.

Чем ближе характеристика к прямоугольной, тем ближе к единице этот коэффициент. Для хороших фильтров он достигает 0,5-0,7 по уровню 50 дБ.

Наибольшие применение в телемеханике получили полосовые фильтры. В качестве простейшего полосового фильтра может быть использован последовательный или параллельный LC-контур. Так как в контуре всегда есть активные потери, ток имеет конечное значение, однако все таки значительно больше, чем при других значениях частоты.

В нагрузке, включенной последовательно с LC-контуром при частоте источника, лежащей в пределах зоны 1Ю ток будет опережать приложенное напряжение по фазе, так как сопротивление контура емкостное . В зоне 2 сопротивление контура индуктивное и ток в нагрузке и контуре отстает от напряжения, При частоте f этот ток будет совпадать по фазе с приложенным напряжением.

Качество контура характеризируется его добротностью Q или затуханием 1 /Q. Полоса пропускания контура определяется на уровне 0,7U, что соответствует затуханию сигнала по мощности примерно в 2 раза, или примерно на 3 дБ. Передаточная характеристика такого контура фильтра описывается дифференциальным управлением второго порядка. Порядок дифференциальным управления определяется числом частотно зависимых элементов в фильтре, в данном случае и два индуктивность L и конденсатор С, поэтому его называют фильтром второго порядка. Обычно одиночный контур не обеспечивает необходимого затухания в полосе непропускания и крутизна его характеристики также недостаточна, коэффициент прямоугольности на уровне 30 дБ всего 0,05-0,015. Поэтому применяют фильтры более высоких порядков с большим числом L-C. Так, в аппаратуре каналов связи телемеханики электрифицированных железных дорог используют дифференциально-мостиковые фильтры. В диапазоне тональных и надтональных частот они обеспечивают лучшие харакеристики, чем другие известные фильтры при равном числе затрачиваемых элементов индуктивности и конденсаторов. Шести элементный три индуктивности и три конденсатора дифференциально-мостиковый фильтр шестого порядка состоит из трех последовательно соединенных LC-контуров и дифференциального транзистора Т. Допустим сначала, что контуры L1C1 и L2C2 включены в одно плечо трансформатора Т, причем их резонансные частоты f1 и f2 несколько различаются. Определим, как взаимодействуют токи этих контуров в нагрузке.

Характеристики сопротивлений контуров имеют три характерные зоны. В зоне 1 сопротивление контуров L1C1 и L2C2 носят одинаковый емкостный характер, поэтому их токи в нагрузке геометрически складываются и суммарный ток будет больше тока в каждом контуре. В зоне 2 сопротивление контура L1C1 имеет индуктивный, а контур L2C2 емкостный характер, ток первого контура отстающий, а ток второго контура опережающий, поэтому ток в нагрузке равен их геометрической разности. В зоне 3 сопротивления обоих контуров индуктивные и поэтому токи в нагрузке складываются.

Предположим теперь, что контуры L1C1 и L2C2 включены в разные плечи дифференциального трансформатора. При этом также имеем три различные зоны. В зоне 1 сопротивления контуров также носят емкостный характер и токи в них имеют одинаковый опережающий фазовый сдвиг. Однако контуры включены в противоположные плечи трансформатора и поэтому приложенные к ним напряжения сдвинуты на 180. Следовательно, в нагрузке будет действовать разность токов контуров. В зоне 2 сопротивления контуров различны L1C1 индуктивное, L2C2 емкостное, но они включены в разные плечи трансформатора и поэтому их токи в нагрузке складываются. В зоне 3 токи контуров в нагрузке вычитаются. Таким образом, если контуры включены в одно плечо, трансформатора Т, то их токи в нагрузке складываются при одинаковом емкостном или индуктивном характере складывается при одинаковом емкостным или индуктивном характере сопротивлений контуров и вычитаются при различном характере сопротивлений. Если контуры включены в различные плечи трансформатора, то токи в нагрузке складываются при различном по характеру сопротивлении контуров и вычитаются при одинаковом характере.

В зоне 1 сопротивления контуров L1C1 и L2C2, включенных в разные плечи трансформатора Т, имеют одинаковый характер. Поэтому токи этих контуров в нагрузке вычитаются. Ток контура L3C3 складывается с током контура L1C1 однако сопротивление контура L3C3 в зоне 1 значительно больше чем контура L1C1. Поэтому током контура L3C3 в зоне 1 можно пренебречь. Аналогично в далее будем рассматривать токи только двух соседних по частоте контуров. В точке пересечения кривых Z1 и Z2 сопротивления контуров L1C1 и L2C2 равны, а значит равны их токи в нагрузке. Напомним, что токи этих контуров в зоне 1 вычитаются, поэтому суммарный ток в нагрузке от контуров равен нулю. Следовательно, фильтр не пропускает в нагрузку с частотой, на частоте имеет бесконечное затухание. Практически вследствие активного сопротивления индуктивности и потерь в элементах L и C токи в контурах оказываются сдвинутыми меньше, чем на 90%, и полностью не вычитаются. Поэтому в точке n затухание и велико, но конечно. Точку n называют точкой бесконечного затухания, а частоту f нижней частотой бесконечного затухания.

В зоне 1 сопротивление контура L1C1 будет индуктивным, поэтому токи контуров L1C1 и L2C2 в нагрузке складываются, а затухание в фильтре мало. Аналогично складываются токи контуров L2C2 и L3C3 в зоне 3 затухание, вносимое фильтром, в этой зоне также мало. В зоне 6 токи контуров L2C2 и L3C3 вычитаются в нагрузке, так как их сопротивления одинаковы по знаку, а контуры включены в различные плечи трансформатора. В точке m как и в точке n для контуров L2C1 и L3C2 суммарный ток в нагрузке от контуров L2C2 и L3C3 равен нулю. Эта точка соответствуют верхней частоте бесконечного затухания f. При частотах, меньших, f и больших f токи контуров L2C1, L3C2 и L2C2 , L3C3 неодинаковы и их разность не равна нулю, поэтому затухание, вносимое фильтром, несколько меньше, чем в точках n и t. Однако сопротивления контуров достаточно велики, а токи малы и затухание, вносимое фильтром, на этих частотах остается достаточно большим.

В аппаратуре каналов связи телемеханики электрических железных дорого в передатчиках применяют шестиэлементные, а в приемниках восьмиэлементные фильтры. Принцип работы аналогичен, но они имеют лучшие характеристики для затухания.


Остались вопросы?