Классификация устройств фильтрации LC фильтры.

ЛЕКЦИЯ №19

Тема 1.3 Элементы частотной селекции. Фильтры.

Классификация устройств фильтрации LC фильтры.

В многоканальной аппаратуре связи, в устройствах автоматики, телемеханики, радиовещания, телевидения и других селективных устройствах широкое применение находят кварцевые, пьезоэлектрические и электромеханические фильтры. Такие их качества, как высокая избирательность, стабильность, широкий диапазон рабочих частот и полос пропускания, хорошие эксплуатационные характеристики позволяют им надежно работать в сложной электронной аппаратуре в различных климатических условиях.

В качестве традиционных материалов для изготовления пьезоэлектрических фильтров используются некоторые виды кварца и керамики, обладающие пьезоэлектрическими свойствами. Кроме того, в настоящее время все более широкое применение находят такие пьезоматериалы, как ниобат и танталат лития, на которых реализуются высокочастотные фильтры.

Классификация фильтров

Все многообразие пьезоэлектрических фильтров принято классифицировать по трем основным направлениям:

1. По материалу пьезоэлемента:

Кварцевые фильтры - имеющие в своей основе кварцевые резонаторы; Пьезокерамические фильтры - созданные на основе пьезокерамики; Пьезокристаллические фильтры - использующие другие пьезоэлектрики.

2. По функциональному назначению:

о полосовые фильтры - имеющие полосу пропускания между двумя полосами задерживания; о режекторные фильтры - имеющие одну или более полос непропускания (режекции),

расположенные между определенными полосами пропускания; о дискриминаторные фильтры - предназначенные для преобразования напряжения

переменного тока в напряжение постоянного тока на выходе фильтра с изменяющейся по

величине и знаку амплитудой; о гребенки полосовых фильтров - с определенным законом расположения полос пропускания

на частотной оси с заданным уровнем пересечения частотной характеристики затухания; о фильтры одной боковой полосы (ОБП) - предназначенные для выделения верхней или

нижней боковой полосы спектра модулированного сигнала.

3. По конструктивно-технологическому исполнению:

дискретные фильтры - сочетание пьезоэлектрических резонаторов с дискретными элементами, связь между которыми осуществляется гальванически; монолитные фильтры - фильтры с акустической связью между резонаторами, размещенными на одной пьезоэлектрической подложке; интегральные фильтры - фильтры, все элементы которых выполнены на пьезоэлектрической подложке;

гибридные фильтры - фильтры, имеющие в своем составе дискретные элементы и элементы, нанесенные на одну или несколько подложек.

В основе работы монолитных, интегральных и гибридных фильтров лежит распространение объемных акустических волн (ОАВ) в пьезоэлементе. В настоящее время разработаны и выпускаются пьезоэлектрические фильтры на поверхностных акустических волнах (ПАВ), частотно-избирательные свойства которых осуществляются за счет передачи-приема акустических волн, распространяющихся вдоль поверхности пьезоэлемента.

В самостоятельную группу выделяются электромеханические Фильтры (ЭМФ), которые имеют в своем составе электромеханические и механические резонаторы. По функциональному назначению ЭМФ делятся на:

полосовые - с симметричным расположением амплитудно-частотной характеристики относительно средней частоты; полосовые верхней боковой полосы; полосовые нижней боковой полосы.

Данные о фильтрах сгруппированы по четырем разделам:

1. Пьезоэлектрические кварцевые фильтры;

2. Пьезокристаллические фильтры;

3. Пьезокерамические фильтры;

4. Электромеханические фильтры.

Каждый раздел имеет свой ссылочный механизм, позволяющий быстро найти интересующее изделие. Поиск может быть осуществлен по перечню, составленному в порядке возрастания номеров фильтров данного раздела или по справочной таблице, в которой фильтры расположены в порядке возрастания номинальной частоты. По справочной таблице можно также определить номер технических условий фильтра.

Пьезоэлектрические фильтры на объемных акустических волнах

Фильтры на объемных акустических волнах производятся на частоты от 400 до 100000 кГц с различными полосами пропускания, различного конструктивного исполнения. Монолитные фильтры обладают следующими преимуществами по сравнению с фильтрами навесного монтажа: высокая надежность, меньшие габариты и вес, высокая технологичность (малооперационная и групповая технология), более низкая трудоемкость и себестоимость. Сегодня выпускается более 50 типономиналов монолитных фильтров в диапазоне частот 1, 9-93, 5 МГц. Они отличаются объемами корпуса (от 0, 1 до 1, 5 см), относительной шириной полосы пропускания (от 1x10 до 2x10"), порядком фильтра (от 2 до 10), диапазоном рабочих температур, затуханием в побочных полосах пропускания, максимальным затуханием в полосе задерживания, коэффициентом прямоугольности и другими параметрами. В настоящее время предприятие выпускает пьезофильтры трех типов: кварцевые фильтры, фильтры на основе танталата лития и лангасита.

В большинстве случаев при питании электронной
аппаратуры допускается весьма малая (порядка десятых,, сотых
и даже тысячных долей процента) пульсация выпрямленного
напряжения. Между тем на выходе основных выпрямительных
схем пульсация во много раз превышает допустимую. Для
уменьшения пульсации спрямленного напряжения

применяются сглаживающие фильтры.

Любой сглаживающий фильтр должен обеспечивать снижение пульсации выпрямленного напряжения до заданного уровня, т. е. должен обладать необходимым коэффициентом сглаживания q, величина которого определяется отношением

где Кп и К'п коэффициенты пульсации до (К_п) и после (К'п) сглаживающего фильтра.

Основным требованием, предъявляемым к сглаживающему фильтру, является максимально возможное уменьшение переменных составляющих выпрямленного тока и напряжения в сопротивлении нагрузки. Вместе с тем при построении схем сглаживающих фильтров следует стремиться к тому, чтобы постоянная составляющая выпрямленного тока полностью прошла через сопротивление нагрузки, а потери постоянной составляющей выпрямленного напряжения в элементах фильтра были минимальными.

Для того чтобы на выходе выпрямителя получить
напряжение с меньшими пульсациями, достаточно

параллельно сопротивлению нагрузки Rh включить конденсатор

Рисунок - Схемы сглаживающих фильтров: а - простейший емкостной фильтр; б и в - фильтры тина LC; г ид - фильтры типа RC

В те промежутки времени, когда диод пропускает ток,
конденсатор запасает электрическую энергию. Когда же к
диоду приложено обратное напряжение, конденсатор
разряжается на сопротивление нагрузки. Таким образом,
через нагрузочное сопротивление ток проходит
непрерывно, причем пульсации выпрямленного напряжения и тока значительно уменьшаются. В связи с этим схемы выпрямителей, используемые для питания сравни­тельно маломощной электронной аппаратуры, как правило имеют на своем выходе конденсатор, который по существу является первым элементом сглаживающего фильтра

для двухполупериодной схемы со средней точкой и мостовой схемы.

где Со — входная емкость фильтра, мкФ; 1о — выпрямленный ток, мА; Uo — выпрямленное напряжение, В.

Наиболее распространенные схемы сглаживающих фильтров приведены на рисунке. Выбор той или иной схемы определяется величиной выпрямленного тока, проходящего через фильтр, и допустимым значением коэффициента пульсации выпрямленного напряжения на выходе фильтра.

В качестве последовательных элементов фильтров чаще всего используются индуктивности (дроссели) и активные сопротивления (резисторы). Параллельными элементами фильтра обычно служат конденсаторы.

Действие дросселя как элемента фильтра сводится к тому, что в нем теряется наибольшая доля переменной составляющей напряжения, так как его сопротивление XL_ф=1/wLф, стремятся выбрать значительно больше нагрузочного сопротивления R_H. Для постоянной составляющей выпрямленного тока индуктивное сопротивление дросселя равно нулю. Следовательно, потери постоянной составляющей напряжения на дросселе обусловлены лишь его незначительным омическим сопротивлением и в большинстве случаев ими можно пренебречь.

Действие конденсатора как элемента фильтра сводится к тому, что, шунтируя сопротивление нагрузки, он пропускает через себя наибольшую долю переменной составляющей выпрямленного тока, так как сопротивление XC_ф=1/wCф стремятся выбрать значительно меньше нагрузочного сопротивления Rh. Для постоянного тока сопротивление Х_Сф, бесконечно велико, поэтому постоянная составляющая выпрямленного тока проходит в основном через сопротивление нагрузки.

Обычно в качестве конденсаторов фильтра
используются электролитические конденсаторы,

обладающие большой емкостью (порядка 10-40 мкФ). Рабочее напряжение конденсатора должно превышать выпрямленное напряжение приблизительно в 1, 5 раза.

Для увеличения коэффициента сглаживания могут быть использованы двухзвённые фильтры, представляющие собой сочетание двух одинаковых Г-образных фильтров. При этом для практических расчетов можно считать, что коэффициент сглаживания двухзвенного фильтра равен произведению коэффициентов сглаживания каждого звена

q = q₁q₂.

Особенностью фильтров типа LC является незначительное падение постоянной составляющей выпрямленного напряжения на дросселе, что дает возможность применять такие фильтры в устройствах с относительно большим током нагрузки. Существенным недостатком их является большая масса дросселя, а также образование вокруг дросселя магнитных полей, влияющих на работу различных высокочувствительных узлов электронной аппаратуры.

Эти недостатки устраняются в фильтрах типа RC (рисунок 4.1, г и д). Такие фильтра значительно дешевле фильтров типа LC, имеют малые размеры и массу. Однако их целесообразно применять при малых выпрямленных токах (порядка 10—15 мА) и не больших значениях коэффициента сглаживания. Это объясняется тем, что на активном сопротивлении Кф происходят потери как переменной, так и постоянной составляющих выпрямленного напряжения, что при больших токах нагрузки может привести к резкому уменьшению напряжения на выходе фильтра.

Кроме фильтров типа LC и RC, широкое распространение получили транзисторные сглаживающие фильтры. Они имеют малые габариты и массу, не создают нежелательных магнитных полей, возникающих вокруг дросселя LC-фильтров, имеют меньшие потери выпрямленного напряжения по сравнению с фильтрами типа RC.

Рассмотрение выходной характеристики транзистора с общим эмиттером (рисунок 4.2, - а) показывает, что на пологой ее части сопротивление участка коллектор — эмиттер переменному току

больше, чем постоянному току в рабочей точке Р,

Транзисторный сглаживающий фильтр: а — выбор рабочей точки на выходной характеристике транзистора. б — схема

Поэтому транзистор можно использовать вместо дросселя фильтра. Одна из возможных схем транзисторного сглаживающего фильтра приведена на рисунке.

Литература: Гершунский Б.С. Основы электроники- К.: Высшая школа, 1982