Как сравнивают фильтры?

April 10, 2015 by admin Комментировать »

Отношение амплитуды колебания на выходе фильтра к амплитуде колебания этой же частоты на входе — это коэффициент пропускания, коэффициент прозрачности фильтра. А отношение того, что не прошло через фильтр (то, что подводится к фильтру, минус то, что через него проходит) к тому, что получается на выходе,— это коэффициент затухания, или поглощения фильтра. Оба эти коэффициента — числа отвлеченные, не именованные. Прозрачность может быть в пределах от 1 до 0. А затухание — от 0 до бесконечности.

Коэффициенты затухания и пропускания зависят от частоты подводимых к фильтру колебаний. Отношение двух коэффициентов прозрачности для двух частот колебаний — это коэффициент фильтрации. Он позволяет оценить, во сколько раз ослабляет фильтр отношение нежелательной составляющей тока или напряжения к его полезной составляющей.

Предположим, к фильтру подводится для сглаживания выпрямленный пульсирующий ток, в котором содержание первой основной гармоники 25% от постоянной составляющей тока. В данном случае применяется фильтр низких частот. Он незначительно ослабляет постоянный ток и сильно подавляет гармоники. На выходе фильтра основная гармоника будет составлять, к примеру, только 0,5% от постоянной составляющей. Следовательно, коэффициент фильтрации данного фильтра (для основной гармоники) будет 50. Это также число отвлеченное, не именованное.

Одна самоиндукция или одна емкость представляют для переменного тока сопротивление, которое линейно зависит от частоты этого тока. Сопротивление самоиндукции возрастает прямо пропорционально частоте тока, а сопротивление емкости падает также прямо пропорционально частоте.

Когда токи незначительно разнятся по частоте, то одной самоиндукцией или одной емкостью невозможно их хорошо разделить. Даже если частоты токов отличаются вдвое, то и тогда коэффициент фильтрации единичного элемента будет только 2 в самом лучшем случае, а практически всегда меньше.

Для получения большого коэффициента фильтрации для токов, незначительно разнящихся по частоте, необ-

Фиг. 6-6. Элементарная ячейка фильтра высоких частот·

Фиг. 6-7. Фильтр низких частот.

ходимо применять фильтры, состоящие из комбинации емкостей и самоиндукций.

Согласование входа и выхода

Основная простейшая ячейка фильтра состоит из двух элементов: одной емкости йодной самоиндукции (фиг. б-б и 6-7).

Если емкость включить последовательно,, а самоиндукционную — параллельно, то это будет фильтр высоких частот (фиг. б-б). Чем выше частота колебаний, тем легче они пройдут через такой фильтр.

Когда же самоиндукция включена последовательно, а емкость параллельно, то получится фильтр низких частот. Чем выше частота колебаний, тем сильнее их задерживает такой фильтр (фиг. 6-7).·

Действие сита мало зависит от того, из какого ящика в него сыплют зерно! и в какой ящик затем это зерно собирают. Зерна более крупные, чем ячейки сита, ни при каких условиях сквозь сито на пройдут, а зерна более мелкие, нежели ячейки, через сито провалятся. Но для фильтра электрического очень существенны характеристики той линии, из которой в него поступают электрические колебания, а также той линии, в которую после фильтра колебания уходят. Колебания могут отражаться от мест соединения фильтра с линиями и эти отражения сильно меняют работу фильтра.

опп

Фиг. 6-8. Полосовой фильтр.

Фиг. 6-9, Заграждающий (режекторный фильтр).

Электрический фильтр действует иначе, чем спго. Электрический фильтр—это комбинация складов электромагнитной энергии. В простейшей ячейке таких складов два: конденсатор, где энергия запасается в виде электрических сил, и индуктивность, где энергия запасается в виде магнитных сил. При воздействии на фильтр электромагнитного колебания, электромагнитной волны, ее энергия непрестанно перебрасывается из конденсатора в индуктивность и обратно. Одна и та же порция энергии создает в конденсаторе напряжение, скажем Е вольт, а в индуктивности ток / ампер. Отношение этих вольт к амперам называют номинальное характеристическое сопротивление фильтра. Если обозначить емкость С, а индуктивность L, то характеристическое сопротивление фильтра будет приближенно равно:

Фильтр хорошо действует, когда электрические сопротивления той линии, из которой к нему подводятся колебания, и той линии, по которой они уходят, в точности равны характеристическому сопротивлению ячейки фильтра. Тогда не будет отражений энергии на входе и выходе.

Резонансная частота и коэффициент фильтрации

Звено фильтра, состоящее из емкости и самоиндукции,— это колебательная система. Подобной же колебательной системой является гиря, подвешенная на пружине, кузов автомобиля, качающийся на рессорах. Качели, гамак — все это колебательные системы и все они могут применяться для фильтрации механических колебаний.

Когда колебательная система получает единичный, короткий толчок (для механической системы — механический толчок, для электрической системы — электрический толчок), то в этой системе некоторое время еще продолжаются, постепенно слабея, колебания. Это собственные колебания системы. Их частота — собственная или резонансная частота системы.

Чем дальше частота приложенных к фильтру колебаний от его собственной, резонансной частоты, тем выше может быть коэффициент фильтрации. Во многих случаях можно считать, что коэффициент фильтрации равен квадрату отношения резонансной частоты ячейки фильтра к частоте подведенного к нему тока.

При питании радиопередатчиков применяются фильтры низких частот, фильтры с большими конденсаторами (несколько десятков микрофарад) и большими индуктивностями (десятки генри); собственная резонансная частота звена получается несколько колебаний в секунду. Назначение этих фильтров не допустить к передатчику гармоник токов звуковых частот 300 и выше герц. На одном звене коэффициент фильтрации равняется нескольким тысячам. Одного звена достаточно, чтобы при работе радиопередатчика не было слышно гудения и жужжания.

В легковых автомобилях ставят податливые рессоры и собственный период колебаний кузова на рессорах получается большим. Коэффициент фильтрации толчков у такой машины велик. Чтобы его еще повысить, стремятся уменьшить массу неподрессоренной части автомобиля, массу его колес.

В грузовиках ставят жесткие рессоры. Частота собственных колебаний получается выше, фильтрация меньше. Кроме того, у грузовых машин больше масса неподрессоренных частей. Поэтому их и трясет больше.

При одной и той же упругости рессор, чем тяжелее кузов, тем ниже частота его колебаний. Поэтому нагруженную машину меньше трясет, нежели пустую.

Чтобы уменьшить эту тряску, часто применяют ступенчатые рессоры — как говорят автомобилисты, прогрессивную подвеску. Сначала нагрузку на себя принимает гибкая податливая рессора. Она обеспечивает достаточно малую частоту собственных колебаний и при пустом кузове. А чтобы кузов сильно не осел, когда машину нагрузят, то имеется вторая, более жесткая рессора, на которую кузов опирается в груженом состоянии.

Такой фильтр с переменной упругостью или с переменной массой называется нелинейным фильтром. В электротехнике часто применяются нелинейные фильтры. В схемы включаются газовые, например, неоновые лампы, которые не горят при низких напряжениях, когда же напряжение увеличивается выше установленного предела, они вспыхивают и меняют данные электрической цепи.

Есть предложения увеличивать массу кузова автомобиля, не увеличивая его веса. Это кажется невероятным, а между тем сделать это не так сложно. Надо поставить на кузов быстро вращающийся маховик — гироскоп. Быстро вращающееся тело энергично сопротивляется всякой попытке отклонить его ось вращения. Повышение скорости вращения аналогично повышению массы. На автомобиле с гироскопом можно было бы получить очень большую плавность хода, большой комфорт даже по неровной дороге.

В погоне за высокой фильтрацией

Автомобиль — это ряд включенных друг за другом звеньев фильтра. Первое звено — пневматические шины на колесах. Чем меньше давление в шинах, тем податливость их больше, тем больше и коэффициент фильтрации, этого звена Хррошо ездить на супербаллонах.

Второе звено фильтра — это рессоры с кузовом. Затем как фильтры механических колебаний работают еще и подушки сидений.

В телеге этих звеньев фильтрации нет, и те, кто в ней подолгу путешествовал, научались собственными силами включать еще одно звено фильтра: наклонять корпус и сгибать спину, чтобы она пружинила и чтобы толчки от сиденья доходили к головному мозгу по возможности в ослабленном виде. Иногда в одной элементарной ячейке фильтра трудно получить требуемый большой коэффициент фильтрации, требуемое затуханце нежелательных колебаний. При последовательном включении отдельных элементарных ячеек результирующий коэффициент фильтрации всей цепи для большинства схем включения обычно равен произведению коэффициентов фильтрации отдельных звеньев. Или, иначе говоря, полное затухание равно сумме затуханий всех звеньев.

Фи?. 6-10. Многозвенный фильтр низких частот.

Представлены электрический, акустический и два механических: поступательный и вращательный варианты.

Часто бывает выгоднее сделать несколько звеньев, с малой фильтрацией каждое, и включить их последовательно, нежели применять одно звено с требуемой высокой фильтрацией.

В хороших радиоприемниках фильтр цепи питания иногда выполняется не из одной, а из двух и даже более ячеек.

объем. О лучшем будет еще разговор в следующей главе.

Но вообще это очень сложный вопрос о выборе наилучшего, оптимального фильтра. Иногда самый лучший — это самый дешевый, а иногда — имеющий наименьший

Фиг. 6-11. Многозвенный фильтр высоких частот.

1ГСрсфС1&«лено четыре варианта: члектрическвй, акустический, механический поступательный и механический вращательный.

Отсев с уничтожением

Можно по-разному производить фильтрацию колебаний: можно отразить нежелательное колебание, отогнать его. А можно это колебание, наоборот, поглотить. В одних случаях применяются отражающие, а в других поглощающие фильтры. Примером последних может служить автомобиль.

В автомобиле шины, подвеска, подушки сидений, словом, все звенья фильтра механических колебаний должны поглотить энергию толчков, не дать ей дойти до пассажира. В этом многозвенном фильтре энергия механических колебаний превращается в тепловую и рассеивается. Каждое звено автомобильного фильтра обязательно имеет в своем составе элемент трения, который переводит механические колебания в тепло. Эти преобразователи колебаний в тепло получают разные конструктивные оформления и носят разные названия: тормоза, демпфера, катаракты, успокоители и т. д.

Применяются, например, масляные гасители колебаний. К кузову автомобиля крепится стальной цилиндр, наполненный вязким маслом. В нем ходит поршень, связанный с осью колеса. В поршне проделаны узкие каналы. Когда колесо подпрыгивает на неровностях дороги, масло продавливается через эти каналы. Энергия перемещения поршня в цилиндре тратится на нагрев масла.

Часто стальные пружины (рессоры) крепятся к кузову и к осям колес через резиновые прокладки. За счет внутреннего трения в этой резине гасится часть энергии колебаний.

Внутреннее трение в резине поглощает энергию толчков и в пневматических шинах. При движении автомобиля покрышки шин непрестанно деформируются. Они нагреваются из-за внутреннего трения. Этот нагрев ставит предел грузоподъемности покрышек и скорости их качения. При нагреве выше 100° С внутренний каркас покрышки из хлопчатой ткани (корда) теряет свою механическую прочность — перегорает. Во время быстрой езды автомобильные шины горячи даже на морозе. В последнее время каркасы для шин начинают делать из новых более прочных и термостойких материалов (например, из синтетических нитей — капрон).

Автомобильные конструкторы стремятся уменьшить поступающую в автомобиль энергию механических толчков. Эта энергия тем меньше, чем меньше неподрессо-

Фиг* 6-12* Система подвески автомобиля, ее механическая эквивалентная схема и электрические модели.

В метрических моделях сопротивления, поглощающие энергию переменных составляющих, можно включать по-разному: либо в цепь индуктивности, либо в цепь емкости.

ренная масса (т е. масса колес). Но уж та энергий толчка, которая поступила от колеса к рессоре, может быть только рассеяна. Ее нельзя отразить обратно к дороге, или, что было бы еще более заманчиво, использовать для ускорения хода автомобиля. Энергию толчков, идущих от дороги к пассажирам, можно только превращать в тепло. Автомобильный фильтр (фиг. 6-12)

эквивалентен электрическому фильтру, у которого на входе задан ток, а не напряжение.

Еще один пример фильтра с большим затуханием — это автомобильный глушитель (фиг. 6-2). Энергия переменных составляющих газового потока в нем превращается в тепло. Одновременно теряется и часть энергии постоянной составляющей потока отработанных газов. Глушитель снижает мощность двигателя. Гоночные машины работают часто без глушителя. Прямо из цилиндров выбрасывают выхлопные газы в атмосферу. Поэтому они мчатся с таким ревом.

Электрические фильтры, которыми снабжаются выпрямители, эквивалентны по принципу глушителю и подвеске автомобиля. Это все фильтры нижних частот. Они не должны пропускать быстрых колебаний.

На маломощных выпрямителях сглаживающие фильтры выполняются с большим затуханием (как автомобильная подвеска и глушитель). В приемниках фильтры составляются иногда из одних емкостей и сопротивлений, а индуктивностей в них нет. В таких фильтрах значительны потери электроэнергии. Зато эти фильтры стоят дешевле и занимают меньше места, нежели более сложные фильтры с индуктивностями.

Источник: Электричество работает Г.И.Бабат 1950-600M

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты