Электрические фильтры — определение, классификация, характеристики, основные виды


СОДЕРЖАНИЕ:

Электрический фильтр

I

электрическое устройство, в котором из Спектра поданных на его вход электрических колебаний выделяются (пропускаются на выход) составляющие, расположенные в заданной области частот, и не пропускаются все остальные составляющие. Э. ф. используются в системах многоканальной связи (См. Многоканальная связь), радиоустройствах, устройствах автоматики, телемеханики, радиоизмерительной техники и т. д. — везде, где передаются электрические сигналы при наличии других (мешающих) сигналов и шумов, отличающихся от первых по частотному составу; они применяются также в выпрямителях тока (См. Выпрямитель тока) для сглаживания пульсаций выпрямленного тока. Область частот, в которой лежат составляющие, пропускаемые (задерживаемые) Э. ф., называют полосой пропускания (полосой задерживания). Фильтрующие свойства Э. ф. количественно определяются относительной величиной вносимого им затухания в составляющие спектра электрических колебаний: чем больше различие затуханий в полосе задерживания и полосе пропускания, тем сильнее выражены его фильтрующие свойства. По виду кривой зависимости затухания от частоты (по взаимному расположению полос пропускания и задерживания) различают Э. ф.: нижних частот (ФНЧ), пропускающие колебания с частотами не выше некоторой граничной fв и задерживающие колебания с частотами выше fв, верхних частот (ФВЧ), в которых, наоборот, пропускаются колебания с частотами выше некоторой fн и подавляются колебания ниже этой границы; полосно-пропускающие (ППФ), или полосовые, выделяющие колебания только в конечном интервале частот от fв до fн, полосно-задерживающие (ПЗФ), иначе режекторные фильтры, обратные ППФ по своим частотным характеристикам.

Конструкция Э. ф., технология их изготовления, а также принцип действия определяются прежде всего рабочим диапазоном частот и требуемым видом частотной характеристики. В диапазоне от единиц кгц до десятков Мгц (в отдельных случаях — до единиц Ггц) получили распространение LC-фильтры (рис. 1, а, б, г), содержащие дискретные элементы — катушки индуктивности и электрические конденсаторы; в диапазоне от долей гц до сотен кгц наиболее часто используют пассивные или активные RC-фильтры (рис. 1, б), выполненные на основе резисторов и конденсаторов (активный, кроме того, содержит Усилитель электрических колебаний). Действие LC- и RC-фильтров основано на использовании зависимости сопротивления реактивного (См. Сопротивление реактивное)(ёмкостного и индуктивного) от частоты переменного тока. Для фильтрации сигналов, частота которых составляет доли гц, служат электротепловые фильтры (ЭТФ), конструктивно представляющие собой стержень с источником тепла и термоэлектрическим преобразователем; введение в ЭТФ усилителей с обратной связью (См. Обратная связь) позволяет реализовать электротепловые ФВЧ и ППФ. Известны также электромеханические фильтры, выполненные на основе дисковых, цилиндрических, пластинчатых, гантельных и камертонных Резонаторов. В таких Э ф используется явление механического резонанса; применяются в диапазоне от нескольких кгц до 1 Мгц. Высокими фильтрующими свойствами обладают пьезоэлектрические ППФ и ПЗФ, материалом для изготовления которых служит Пьезокварц или Пьезоэлектрическая керамика (см. также Пьезоэлектричество). Таковы, например, пьезокварцевые фильтры на дискретных элементах — кварцевых резонаторах в сочетании с катушками индуктивности и конденсаторами; монолитные многорезонаторные пьезокварцевые фильтры. Связь между резонаторами в последних осуществляется посредством акустических волн — объёмных (для фильтров, применяемых в диапазоне частот от нескольких Мгц до десятков Мгц) либо поверхностных (в диапазоне от нескольких Мгц до 1—2 Ггц). Особую группу Э. ф. составляют цифровые фильтры (рис. 2), часто выполняемые на интегральных схемах. В сверхвысоких частот технике Э. ф. реализуют на основе отрезков линий передачи (коаксиальных кабелей, полосковых линий (См. Полосковая линия), металлических Радиоволноводов и др.), являющихся по существу распределёнными колебательными системами (См. Колебательные системы). В диапазоне 100 Мгц — 10 Ггц применяют гребенчатые, шпилечные, встречно-стержневые, ступенчатые и др. Э. ф. из полосковых резонаторов (рис. 3). В диапазоне от нескольких Ггц до нескольких десятков Ггц распространены волноводные Э. ф., представляющие собой волноводную секцию с повышенной критической частотой (волноводный ФВЧ), либо секцию, содержащую резонансные диафрагмы или объёмные резонаторы (См. Объёмный резонатор) (волноводный ППФ).

Лит.: Белецкий А. Ф., Теоретические основы электропроводной связи, ч. 3, М., 1959; его же. Основы теории линейных электрических цепей, М., 1967; Знаменский А. Е., Теплюк И. Н., Активные RC-фильтры, М., 1970; Алексеев Л. В., Знаменский А. Е., Лоткова Е. Д., Электрические фильтры метрового и дециметрового диапазонов, М., 1976,

Рис. 1. Принципиальные схемы некоторых электрических фильтров на катушках индуктивности, конденсаторах и резисторах — нижних частот (а), верхних частот (б), полосно-пропускающего (в), полосно-задерживающего (г) и их частотные характеристики (соответственно д, е, ж, з): L1, L2. Ln — катушки индуктивности; C1, С2 . Сп — конденсаторы; R1, R2, Rn — резисторы; f — частота; fн, fв — граничные частоты.

Рис. 2. Структурная схема и временные диаграммы цифрового фильтра: УД — устройство дискретизации, преобразующее аналоговый сигнал x(t) в последовательность импульсов (решётчатую функцию) x*(t); АЦП — аналогово-цифровой преобразователь, с помощью которого мгновенные значения аналогового сигнала заменяются ближайшими дискретными уровнями Х(n ․ Т), где n = 0, 1, 2. T — период следования импульсов; ВУ — вычислительное устройство, преобразующее последовательность чисел (уровней) Х(nТ) в выходную функцию Y(nТ); ЦАП — цифро-аналоговый преобразователь, в котором Y(nT) преобразуется в выходной аналоговый сигнал y(t).

Рис. 3. Электрические фильтры — гребенчатый (а) и шпилечный (б): ШР — штепсельный разъём; Р — резонаторы; ПК — подстроечные конденсаторы; К — корпус (со снятой крышкой).

II

электрофильтр (в газоочистке), аппарат для удаления из промышленных газов взвешенных жидких или твёрдых частиц путём ионизации этих частиц при прохождении газа через область коронного разряда (См. Коронный разряд) и последующего осаждения на электродах. Э. ф. в большинстве случаев состоит из двух частей: собственно Э. ф. — осадительной камеры с коронирующими и осадительными электродами — и источника напряжения. В Э. ф. зоны ионизации и осаждения могут быть совмещены или отделены одна от другой. Работают Э. ф. только на постоянном электрическом токе высокого напряжения (40—70 кв); коронирующие электроды всегда подключены к отрицательному полюсу источника тока. По состоянию газовой среды Э. ф. делятся на мокрые (газы насыщены влагой до точки росы) и сухие. По способу удаления частиц Э. ф. подразделяются на периодические и непрерывные. Работают Э. ф. как при атмосферном давлении, так и при давлении выше и ниже атмосферного; температура газов может достигать 500°С и более; степень очистки газов — до 99,9%. Э. ф. широко применяются для тонкой очистки дымовых газов тепловых электростанций, в чёрной и цветной металлургии и т.д.

Основные определения и классификация электрических фильтров

Электрическим фильтром называется устройство, при помощи которого электрические колебания разных частот отделяются друг от друга. Электрический фильтр представляет собой пассивный 4х-П, пропускающий сигналы в некоторой полосе частот с малым затуханием, а за пределами этой полосы сигналы проходят в нагрузку с большим затуханием.

Полоса частот, в пределах которой передаточная функция по напряжению (1.10) принимает не менее заданного значения

называется полосой пропускания. Остальная область частот называется полосой задерживания. Частоты, разделяющие эти полосы, называются граничными.

В зависимости от пропускаемого спектра частот фильтры разделяются на:

l фильтры нижних частот (ФНЧ);

l фильтры верхних частот (ФВЧ);

l полосовые фильтры (ПФ);

l заграждающие фильтры (ЗФ).

В зависимости от электрической схемы фильтры разделяются на Г-образные, Т-образные, П-образные и другие.

В зависимости от числа реактивных элементов, входящих в состав фильтра, различают фильтры первого порядка, второго порядка и т.д.

По составу элементов фильтры делятся на активные и пассивные. Активные фильтры содержат источники электрической энергии, а пассивные их не содержат.

По способу обработки сигналов фильтры делятся на аналоговые и цифровые.

В данном курсе рассматриваются только пассивные электрические фильтры, построенные на идеальных линейных R, L, C-элементах.

Прочтите также:

Усилители следящих систем
В курсовом проекте разрабатывается полупроводниковый усилитель для управления приводным двигателем следящей системы. Расчет усилителя начинается с оконечного каскада. Оконечный каск .

Энергетический расчет оптико-электронной системы сканирующего пеленгатора
Рассчитать реализуемое отношение сигнал-шум на выходе сканирующей оптико-электронной системы обнаружения, обеспечивающей максимальную дальность действия при условной вероятности правиль .

Моделирование полотна АФАР моноимпульсной БРЛС
Данная работа направлена на моделирование полотна активной фазированной антенной решетки (АФАР) и оценки параметров её работы в составе бортовой радиолокационной станции. Фазированные .

Аналоговые измерительные устройства

Фильтр это частотно-избирательное устройство, которое пропускает сигналы определенных частот и задерживает или ослабляет сигналы других частот. Фильтры могут быть классифицированы по ряду признаков:
1) по виду АЧХ они разделяются на: фильтры нижних частот (ФНЧ); фильтры верхних частот (ФВЧ); полосовые фильтры (ПФ); режекторные (заграждающие) фильтры (РЖ). В отдельную группу могут быть выделены фазовые фильтры (ФФ);
2) в зависимости от полиномов, используемых при аппроксимации передаточной функции различают фильтры: критического затухания, Бесселя, Баттерворта, Чебышева;
3) по элементной базе фильтры разделяются на: пассивные и активные фильтры. Активные фильтры включают в схему RLC – фильтра активного элемента, в качестве которых часто используются операционные усилители.
Амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) различных фильтров представлены на рис. 2.23.
Фильтр нижних частот – пропускает низкие частоты и задерживает высокие (рис. 2.23, а), фильтр верхних частот – задерживает низкие частоты и пропускает высокие (рис. 2.23, б), полосовой фильтр – пропускает полосу частот от ω1 до ω2 и задерживает те частоты, которые расположены выше или ниже этой полосы частот (рис. 2.23, в), режекторный фильтр – задерживает полосу частот от ω1 до ω2 и пропускает частоты, расположенные выше или ниже этой полосы частот (рис. 2.23, г).
В указанных фильтрах коэффициент передачи и фазовый сдвиг зависят от частоты входного сигнала. Фильтры, у которых коэффициент передачи остается постоянным, а фазовый сдвиг зависит от частоты, называются фазовыми фильтрами.

Как упоминалось ранее, в зависимости от аппроксимирующего полинома фильтры разделяются на фильтры критического затухания, Бесселя, Баттерворта, Чебышева. При изложении принципа построения аппроксимирующих функций фильтров как основу обычно используют ФНЧ. На рис. 2.24 показаны АЧХ указанных фильтров нижних частот.

АЧХ ФНЧ Баттерворта имеет довольно длинный горизонтальный участок и резко спадает за частотой среза. Переходная характеристика такого фильтра при ступенчатом входном сигнале имеет колебательный характер. С увеличением порядка фильтра колебания усиливаются.
Характеристика фильтра Чебышева спадает более круто за частотой среза. В полосе пропускания она имеет волнообразный характер с постоянной амплитудой. Колебания переходного процесса при ступенчатом входном сигнале сильнее, чем у фильтра Баттерворта.
Фильтр Бесселя характеризуется меньшей длиной горизонтального участка, чем фильтр Баттеворта и более пологим спадом АЧХ за частотой среза, чем фильтры Баттерворта и Чебышева. Данный фильтр обладает оптимальной переходной характеристикой (переходный процесс практически не имеет колебаний).
Фильтр критического затухания обладает значительно худшей амплитудно-частотной характеристикой по сравнению с фильтром Бесселя, но не имеет перерегулирования. В общем фильтр критического затухания уступает фильтру Бесселя в отношении качества отработки входного ступенчатого сигнала.

Фильтры для воды: классификация, назначение, советы по выбору

Широкий выбор фильтров для воды, казалось бы, приведет в замешательство любого. Как разобраться в этом изобилии приборов для очистки воды? В данной статье рассмотрим все основные виды фильтрующих элементов, бытовых и промышленных, по классификации и назначению, дадим советы по выбору и эксплуатации.

Сегодняшний рынок перенасыщен различными по мощности водяными фильтрами, которые не только способны очистить воду от всех примесей, но и смягчить её, насытить минеральными солями и т. д. Их условно можно разделить на две большие группы:

  1. Фильтры для предварительной подготовки воды.
  2. Фильтры для доочистки водопроводной питьевой воды.

Фильтры для предварительной подготовки воды

Такие фильтры используются для очистки самостоятельно добываемой воды, источником которой служат скважины и колодцы. Основными загрязнениями, несвойственными водопроводной воде, для данных источников является повышенное содержание сероводорода, железа, различных солей и большое количество взвеси.

Ярким примером таких фильтров являются установки по очистке воды от солей ECOSOFT FU 0835 Cab и сероводорода ECOSOFT FPС 1054 Centaur.

Тип загрязнения Тип фильтра Максимальное фильтруемое загрязнение Производительность Цена, руб.
Сероводород, железо ECOSOFT FPС 1054 Centaur Железо не более 3 мг/литр
Сероводород – 5 балл.
0,6 м /час, в течении 2-х лет 35000
Жёсткость ECOSOFT FU 0835 Cab соли калия, магния, марганца не более 15 мг/литр
железа – 0,3 мг/литр
1 м 3 /час, в течении 2-х лет 40000

Данные приборы способны к самостоятельной регенерации, в связи с чем при очистке 15–20 тысяч литров воды в сутки их ресурса хватит на два года работы. По истечении данного срока требуется выполнить замену гранул фильтрующего элемента.

В связи с высокой стоимостью и размерами, не смотря на большой ресурс и производительность, данные фильтры не используются в быту.

Фильтры для доочистки водопроводной питьевой воды

В зависимости от габаритов и производительности все рассмотренные далее фильтрующие элементы могут использоваться как в промышленных, так и бытовых целях. Данный тип фильтров используется для подготовки подаваемой по централизованным водоводам воды (условно питьевой) для использования. Большая их часть выпускается в форме сменного картриджа, позволяющего выполнить быструю замену отработавшего ресурс элемента.

Собранные на их базе фильтры можно использовать как для очистки всей подаваемой воды (магистральные фильтры), так и для получения питьевой воды из одного источника или крана. При этом используемые фильтрующие элементы отличаются только габаритами и формой.

Каждый электрик должен знать:  Как подключить светильник 4 провода, если в стене 2 провода

Фильтры для доочистки питьевой воды можно разделить на несколько основных групп:

  1. Сетчатые фильтры для грубой механической очистки воды.
  2. Фильтры тонкой механической очистки.
  3. Фильтры с активированным углем.
  4. Многокомпонентные фильтрующие элементы.
  5. Мембраны обратного осмоса.
  6. Минерализаторы и активаторы.
  7. Электрические обеззараживающие фильтры.
  8. Фильтрующие элементы от накипи.

Сетчатые фильтры для грубой механической очистки воды

Для удаления крупных твёрдых включений из подаваемой водопроводной воды используются сетчатые фильтры различной конструкции и степени очистки. Сетку в этих фильтрах необходимо регулярно чистить, после чего фильтр может продолжать работать дальше.

Наиболее оптимальным решением для очистки воды от крупных включений является фильтр HONEYWELL FF06–1/2AA, способный с помощью установленного сетчатого фильтра задерживать взвеси размером до 100 мкм. Особенностью данного фильтра является встроенная система промывки, позволяющая удалить собранную на сетке взвесь без разборки фильтра.

Фильтры тонкой механической очистки

Данный тип фильтров предназначен для удаления подаваемых вместе с водой взвешенных твёрдых частиц, таких как песок, глина, ржавчина. В зависимости от использованного в нем материала (сверхтонкой полипропиленовой нити или волокон), данный фильтр может удалять подаваемые с водой твёрдые частицы размером 1, 5, 10, 15 или 50 микрон. Такая очистка позволяет улучшить цвет воды и предохранить дорогостоящую бытовую технику от повреждения.

Его ресурс зависит от количества загрязняющих веществ в воде, через каждые 5000 литров отфильтрованной воды или один раз в 3 месяца необходимо делать его замену.

К данному типу фильтров относится ФС-1 с заложенной функцией самоочистки.

Покрытие из активированного серебра создаёт дополнительный эффект обеззараживания питьевой воды. Ресурс эксплуатации данного фильтра при своевременной его очистке не ограничен. Поэтому, несмотря на высокую стоимость, около 10–12 тысяч рублей, он полностью окупает себя через несколько лет эксплуатации.

Фильтрующие элементы с активированным углем

Активированный уголь имеет прекрасные сорбирующие свойства, благодаря которым задерживается хлор и органические примеси, но при этом он плохо справляется с удалением из воды тяжёлых металлов и бактерий. Качество очистки в таком фильтре зависит от времени прохождения воды через фильтр: чем больше размер фильтра или меньше скорость движения воды, тем лучше качество фильтрации. Для очистки воды могут использоваться картриджи, заполненные гранулированным активированным углем. Такие фильтры имеют наибольшую площадь абсорбции, но плохо справляются с механической фильтрацией.

Картриджи из прессованного активированного угля немного хуже поглощают примеси из воды, но благодаря углеродным волокнам эффективно задерживают механические включения.

Угольные фильтры улучшают цвет воды и её вкусовые качества. Замена угольного фильтра должна производиться при ухудшении вкусовых качеств очищенной воды, но не реже чем указано в инструкции (обычно после фильтрации 4–5 тысяч литров воды).

Многокомпонентные фильтрующие элементы

Для повышения качества фильтрации в состав угольных фильтров вводятся различные добавки, с помощью которых картридж задерживает тяжёлые металлы и производит дезинфекцию воды.

Наполнитель в таких фильтрах может быть как гранулированный, так и прессованный. Для экономии места ряд картриджей данной группы выпускается в одном корпусе с фильтром механической очистки. Наиболее универсальным является фильтр, совмещающий в себе механическую очистку, активированный уголь и засыпку KDF (элементов, снижающих содержание железа и тяжёлых металлов, таких как ртуть, кадмий, свинец). KDF и аналогичные ему добавки могут удалять сероводород и пестициды, предотвращают развитие бактерий и вирусов в прошедшей обработку воде.

Фильтры данной категории эффективно справляются с очисткой воды от вредных примесей, удаляют плохой запах и улучшают вкус воды.

Мембраны обратного осмоса

Наивысшей степенью очистки питьевой воды обладают системы, построенные на базе мембран обратного осмоса. Их работа основана на способности стенки мембраны беспрепятственно пропускать молекулы воды, но при этом оставаться непроницаемой для более крупных молекул примесей. Этот эффект гарантирует идеальную чистоту воды на выходе.

Мембраны обратного осмоса имеют возможность регенерации (очистки от загрязнений), но их замена должна производиться не реже одного раза в два года, поскольку их свойства ухудшаются под воздействием содержащегося в воде активного хлора.

Минерализаторы и активаторы

Поскольку после очистки воды с помощью обратного осмоса из неё удаляются все соли и нарушается молекулярная структура, то перед её применением в пищу рекомендуется восстановить солевой баланс. Для этого используются специальные минерализирующие воду картриджи, а для улучшения усваивамости организмом прошедшей очистку воды проводится её активация.

Ресурс данных картриджей не превышает 2000 литров.

Электрические обеззараживающие элементы

Удаление патогенной флоры из подаваемой воды может производиться с помощью электрических озонирующих и излучающих ультрафиолет электрических блоков. В отличие от химических, данные блоки совершенно безвредны для человека, к тому же они очень экономичны и просты в обслуживании.

Ресурс работы данных фильтровальных элементов не ограничен, но возможно ухудшение качества обработки воды в связи с выпадением налёта на излучатель, поэтому их рекомендуют менять после отработки в течение 3–5 лет.

Тип картриджа для фильтра Производительность Ресурс Мех. очистка Хлор Органика Тяжёлые металлы Бактерии и вирусы Цена, руб.
Механической очистки 1,5–2,0 л/мин 4000–5000 литров + 50
Угольный, прессованный 1,5–2,0 л/мин 4000–5000 литров + + + 150
Угольный, гранулированный 1,5–2,0 л/мин 4000–5000 литров + + 150
Многокомпонент-ные 1,5–2,0 л/мин 4000–5000 литров + + + + 600
Мембраны 150–400 л/сутки 2–3 года работы + + + + + 1500
Минерализаторы 150–400 л/сутки 2000 литров 250
Бактерицидный, ультрафиолетовый 1500–3000 л/сутки 2–4 года работы + 1200

Фильтрующий элемент от накипи

Для подготовки водопроводной воды к использованию в бойлерах, стиральных и посудомоечных машинах применяются специальные «солевые» фильтры для смягчения жёсткости воды.

После засыпки в него гранул, за состояние электрических водонагревательных элементов можно не опасаться. После очистки более 30000 литров воды необходимо сделать досыпку гранул в очистительный прибор. Цена такого наполнителя составляет около 600 рублей за упаковку.

Приобретая фильтр для квартиры или офиса, достаточно знать «жесткость» воды (мягкая, жесткая, средней жесткости). Исходя из этого, подбирается требуемый многокомпонентный фильтрующий элемент и остальные составляющие системы водоочистки.

Примеры расчета электрических и магнитных цепей

Основные понятия и определения электрических фильтров

Электрическим фильтром называется четырехполюсник, предназначенный для выделения (пропускания) сигналов определенной полосы частот. В зависимости от пропускаемого спектра частот фильтры подразделяют на 4 основных вида:


фильтры низких частот (ФНЧ), пропускающие сигналы в диапазоне частот от w 1=0 до w 2;

фильтры высоких частот (ФВЧ), пропускающие сигналы в диапазоне частот от w 1 до ;

полосовые фильтры (ПФ), пропускающие сигналы в диапазоне частот от w 1 до w 2;

заграждающие или режекторные фильтры (ЗФ), пропускающие сигналы в диапазоне частот от 0 до w 1 и в диапазоне частот от w 2 до и не пропускающие сигналы в диапазоне частот от w 1 до w 2.

Коэффициентом передачи напряжения фильтра называется отношение комплексных выходного напряжения ко входному: Магнитное поле и магнитные цепи Лекции по электротехнике

где показывает, как изменяется с частотой амплитуда выходного напряжения, и называется амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) фильтра; j ( w )=( a 2 — a 1) показывает, как изменяется с частотой фаза выходного напряжения, и называется фазо-частотной характеристикой (ФЧХ) фильтра.

Диапазон частот, в котором фильтр пропускает к приемнику сигналы практически без изменения, называется полосой пропускания или зоной прозрачности фильтра. В полосе пропускания для идеального фильтра должны удовлетворяться два условия: 1) , при этом ; 2) j ( w )= — t w , при этом все гармоники сигнала будут иметь одинаковое время запаздывания . При выполнении этих условий сигнал на выходе фильтра не изменится.

Электрические фильтры можно классифицировать:

по типу элементов, из которых они состоят, на а)реактивные, состоящие только из реактивных элементов L и C; б)безиндукционные, состоящие из элементов R и C; и др.;

по способу соединения элементов между собой на Т — , П — и Г — образные;

по виду частотных характеристик на типа “k” и типа “m”.

Электрические фильтры широко применяются в радиотехнике, в технике связи. В электроэнергетике фильтры применяются для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения.

Симметричные реактивные фильтры

Реактивные фильтры состоят только из реактивных элементов L и C. Существует две простейшие симметричные схемы таких фильтров: Т-образная или Т-схема (рис. 167а) и П-образная или П-схема (рис. 167б).

Рассматривая схемы фильтра как схемы четырехполюсника, выразим коэффициент А через параметры элементов:

— для Т-образной схемы;

— для П-образной схемы.

Следовательно, независимо от схемы фильтра . Так как по условию Z и Y являются чисто мнимыми числами, то их произведение является чисто вещественным, и, следовательно, коэффициент А также является чисто вещественным. Ранее было получено:

где — коэффициент передачи фильтра

Комплексное уравнение распадается на 2 вещественных:

Полученная система уравнений имеет два решения.

1-е решение: Это решение соответствует полосе пропускания фильтра и существует при условии , что возможно, если одна из этих величин носит индуктивный характер, а другая — емкостный. Диапазон частот, удовлетворяющих решению, определяется соотношением:

Частоты, определяющие границы полосы пропускания фильтра, находятся из решения неравенства:

Характеристическое сопротивление схем может быть выражено через параметры элементов:

В полосе пропускания характеристическое сопротивление фильтра является чисто активным, но зависит от частоты. Это означает, что фильтр не может иметь одинаковый коэффициент передачи для всех частот полосы пропускания, если сопротивление приемника остается постоянным.

2-е решение: Это решение соответствует полосе задерживания, так как здесь . Границы этой полосы определяются из условия:

Частоты, определяющие границы полосы задерживания фильтра, находятся из решения неравенства:

Характеристическое сопротивление фильтра в полосе задерживания носит реактивный характер и зависит от частоты.

8. Фильтры нижних частот типа к

Простейшие Т- и П-схемы фильтров нижних частот типа к приведены на рис. 168а,б:

Граничные частоты для полосы пропускания определяются из условия:

откуда следует . Фильтр низкой частоты пропускает сигналы в диапазоне частот от до .

Характеристическое сопротивление для Т- и П-образных схем:

Для коэффициента фазы в полосе пропускания решение имеет вид:

Зависимость характеристических параметров фильтров от частоты показана на рис. 169а, б.

В полосе пропускания характеристическое сопротивление для обеих схем зависит от частоты, поэтому для нормальной работы фильтра требуется согласование сопротивления нагрузки с фильтром во всем диапазоне частот.

9. Фильтры верхних частот типа к.

Простейшие Т- и П-схемы фильтров верхних частот типа к приведены на рис. 170а,б:

Граничные частоты для полосы пропускания определяются из условия:

откуда следует . Фильтр высокой частоты пропускает сигналы в диапазоне частот от до .

Характеристическое сопротивление для Т- и П-образных схем:

Для коэффициента фазы в полосе пропускания решение имеет вид:

Зависимость характеристических параметров фильтров от частоты показана на рис. 171а,б:

В полосе пропускания характеристическое сопротивление для обеих схем зависит от частоты, поэтому для нормальной работы фильтра требуется согласование сопротивления нагрузки с фильтром во всем диапазоне частот.

10. Полосовые фильтры

Простейшие Т- и П-схемы полосовых фильтров приведены на рис. 172 и рис. 173:

Параметры элементов фильтра должны удовлетворять условиям: при заданной частоте продольное сопротивление (резонанс напряжений) и поперечная проводимость (резонанс токов), откуда следует:

Обобщенные параметры элементов для обеих схем:

Уравнение, определяющее границы полосы пропускания фильтра:

При решением этого уравнения является принятая ранее частота .

При с учетом, что , получим решение в виде:

Отбрасывая отрицательные корни уравнения, как не имеющие физического смысла, получим значения граничных частот:

Таким образом, фильтр пропускает сигналы в диапазоне частот от до . Резонансная частота является промежуточной и равна среднегеометрическому значению из граничных частот: .

Характеристика затухания и фазовая характеристика показаны на рис. 174 а, б.

Простейшие Т- и П-схемы заграждающих фильтров приведены на рис. 175 и рис. 176.

Условие резонанса на заданной частоте :

, откуда следует: или .

Обобщенные параметры элементов для обеих схем:

Уравнение, определяющее границы полосы пропускания фильтра:

При решением этого уравнения является и .

При с учетом, что , получим решение в виде:

Отбрасывая отрицательные корни уравнения, как не имеющие физического смысла, получим значения граничных частот:

Таким образом, фильтр пропускает сигналы в диапазонах частот от до и от до , а в в диапазоне частот от до сигналы задерживаются. Резонансная частота является промежуточной и равна среднегеометрическому значению из граничных частот: .

Характеристика затухания и фазовая характеристика фильтра показаны на рис. 177а, б.

Электрические фильтры — определение, классификация, характеристики, основные виды

Заявка успешно отправлена.

В ближайшее время с Вами свяжется менеджер.

Широкий выбор фильтров для воды, казалось бы, приведет в замешательство любого. Как разобраться в этом изобилии приборов для очистки воды? В данной статье рассмотрим все основные виды фильтрующих элементов, бытовых и промышленных, по классификации и назначению, дадим советы по выбору и эксплуатации.

Сегодняшний рынок перенасыщен различными по мощности водяными фильтрами, которые не только способны очистить воду от всех примесей, но и смягчить ее, насытить минеральными солями и т. д. Их условно можно разделить на две большие группы:

1. Фильтры для предварительной подготовки воды.

2. Фильтры для доочистки водопроводной питьевой воды.

Фильтры для предварительной подготовки воды

Такие фильтры используются для очистки самостоятельно добываемой воды, источником которой служат скважины и колодцы. Основными загрязнениями, несвойственными водопроводной воде, для данных источников является повышенное содержание сероводорода, железа, различных солей и большое количество взвеси.

Ярким примером таких фильтров являются установки по очистке воды от солей ECOSOFT FU 0835 Cab и сероводорода ECOSOFT FPС 1054 Centaur.

Максимальное фильтруемое загрязнение

ECOSOFT FPС 1054 Centaur

Железо не более 3 мг/литр
Сероводород – 5 балл.

0,6 м /час, в течении 2-х лет

ECOSOFT FU 0835 Cab

соли калия, магния, марганца не более 15 мг/литр
железа – 0,3 мг/литр

1 м 3 /час, в течении 2-х лет

Данные приборы способны к самостоятельной регенерации, в связи с чем при очистке 15–20 тысяч литров воды в сутки их ресурса хватит на два года работы. По истечении данного срока требуется выполнить замену гранул фильтрующего элемента.

Каждый электрик должен знать:  Куда течет электричество


В связи с высокой стоимостью и размерами, не смотря на большой ресурс и производительность, данные фильтры не используются в быту.

Фильтры для доочистки водопроводной питьевой воды

В зависимости от габаритов и производительности все рассмотренные далее фильтрующие элементы могут использоваться как в промышленных, так и бытовых целях. Данный тип фильтров используется для подготовки подаваемой по централизованным водоводам воды (условно питьевой) для использования. Большая их часть выпускается в форме сменного картриджа, позволяющего выполнить быструю замену отработавшего ресурс элемента.

Собранные на их базе фильтры можно использовать как для очистки всей подаваемой воды (магистральные фильтры), так и для получения питьевой воды из одного источника или крана. При этом используемые фильтрующие элементы отличаются только габаритами и формой.

Фильтры для доочистки питьевой воды можно разделить на несколько основных групп:

1. Сетчатые фильтры для грубой механической очистки воды.

2. Фильтры тонкой механической очистки.

3. Фильтры с активированным углем.

4. Многокомпонентные фильтрующие элементы.

5. Мембраны обратного осмоса.

6. Минерализаторы и активаторы.

7. Электрические обеззараживающие фильтры.

8. Фильтрующие элементы от накипи.

Сетчатые фильтры для грубой механической очистки воды

Для удаления крупных твердых включений из подаваемой водопроводной воды используются сетчатые фильтры различной конструкции и степени очистки. Сетку в этих фильтрах необходимо регулярно чистить, после чего фильтр может продолжать работать дальше.

Наиболее оптимальным решением для очистки воды от крупных включений является фильтр HONEYWELL FF06–1/2AA, способный с помощью установленного сетчатого фильтра задерживать взвеси размером до 100 мкм. Особенностью данного фильтра является встроенная система промывки, позволяющая удалить собранную на сетке взвесь без разборки фильтра.

Фильтры тонкой механической очистки

Данный тип фильтров предназначен для удаления подаваемых вместе с водой взвешенных твердых частиц, таких как песок, глина, ржавчина. В зависимости от использованного в нем материала (сверхтонкой полипропиленовой нити или волокон), данный фильтр может удалять подаваемые с водой твердые частицы размером 1, 5, 10, 15 или 50 микрон. Такая очистка позволяет улучшить цвет воды и предохранить дорогостоящую бытовую технику от повреждения.

Его ресурс зависит от количества загрязняющих веществ в воде, через каждые 5000 литров отфильтрованной воды или один раз в 3 месяца необходимо делать его замену.

К данному типу фильтров относится ФС-1 с заложенной функцией самоочистки.

Покрытие из активированного серебра создает дополнительный эффект обеззараживания питьевой воды. Ресурс эксплуатации данного фильтра при своевременной его очистке не ограничен. Поэтому, несмотря на высокую стоимость, около 10–12 тысяч рублей, он полностью окупает себя через несколько лет эксплуатации.

Фильтрующие элементы с активированным углем

Активированный уголь имеет прекрасные сорбирующие свойства, благодаря которым задерживается хлор и органические примеси, но при этом он плохо справляется с удалением из воды тяжелых металлов и бактерий. Качество очистки в таком фильтре зависит от времени прохождения воды через фильтр: чем больше размер фильтра или меньше скорость движения воды, тем лучше качество фильтрации. Для очистки воды могут использоваться картриджи, заполненные гранулированным активированным углем. Такие фильтры имеют наибольшую площадь абсорбции, но плохо справляются с механической фильтрацией.

Картриджи из прессованного активированного угля немного хуже поглощают примеси из воды, но благодаря углеродным волокнам эффективно задерживают механические примеси.

Угольные фильтры улучшают цвет воды и ее вкусовые качества. Замена угольного фильтра должна производиться при ухудшении вкусовых качеств очищенной воды, но не реже чем указано в инструкции (обычно после фильтрации 4–5 тысяч литров воды).

Многокомпонентные фильтрующие элементы

Для повышения качества фильтрации в состав угольных фильтров вводятся различные добавки, с помощью которых картридж задерживает тяжелые металлы и производит дезинфекцию воды.

Наполнитель в таких фильтрах может быть как гранулированный, так и прессованный. Для экономии места ряд картриджей данной группы выпускается в одном корпусе с фильтром механической очистки. Наиболее универсальным является фильтр, совмещающий в себе механическую очистку, активированный уголь и засыпку KDF (элементов, снижающих содержание железа и тяжелых металлов, таких как ртуть, кадмий, свинец). KDF и аналогичные ему добавки могут удалять сероводород и пестициды, предотвращают развитие бактерий и вирусов в прошедшей обработку воде.

Фильтры данной категории эффективно справляются с очисткой воды от вредных примесей, удаляют плохой запах и улучшают вкус воды.

Мембраны обратного осмоса

Наивысшей степенью очистки питьевой воды обладают системы, построенные на базе мембран обратного осмоса. Их работа основана на способности стенки мембраны беспрепятственно пропускать молекулы воды, но при этом оставаться непроницаемой для более крупных молекул примесей. Этот эффект гарантирует идеальную чистоту воды на выходе.

Мембраны обратного осмоса имеют возможность регенерации (очистки от загрязнений), но их замена должна производиться не реже одного раза в два года, поскольку их свойства ухудшаются под воздействием содержащегося в воде активного хлора.

Минерализаторы и активаторы

Поскольку после очистки воды с помощью обратного осмоса из нее удаляются все соли и нарушается молекулярная структура, то перед ее применением в пищу рекомендуется восстановить солевой баланс. Для этого используются специальные минерализирующие воду картриджи, а для улучшения усваивамости организмом прошедшей очистку воды проводится ее активация.

Ресурс данных картриджей не превышает 2000 литров.

Электрические обеззараживающие элементы

Удаление патогенной флоры из подаваемой воды может производиться с помощью электрических озонирующих и излучающих ультрафиолет электрических блоков. В отличие от химических, данные блоки совершенно безвредны для человека, к тому же они очень экономичны и просты в обслуживании.

Ресурс работы данных фильтровальных элементов не ограничен, но возможно ухудшение качества обработки воды в связи с выпадением налета на излучатель, поэтому их рекомендуют менять после отработки в течение 3–5 лет.

Электрические фильтры — определение, классификация, характеристики, основные виды

Название работы: Электрические фильтры

Предметная область: Физика

Описание: Качество фильтра считается тем выше чем ярче выражены его фильтрующие свойства т. Классификация фильтров Название фильтра Диапазон пропускаемых частот Низкочастотный фильтр фильтр нижних частот Высокочастотный фильтр фильтр верхних частот Полосовой фильтр полоснопропускающий фильтр Режекторный фильтр полоснозадерживающий фильтр и где В соответствии с материалом изложенным в предыдущей лекции если фильтр имеет нагрузку сопротивление которой при всех частотах равно характеристическому то напряжения и соответственно токи на.

Дата добавления: 2013-10-22

Размер файла: 65.69 KB

Работу скачали: 10 чел.

Лекция 17 Электрические фильтры

Электрическим фильтром называется четырехполюсник, устанавливаемый между источником питания и нагрузкой и служащий для беспрепятственного (с малым затуханием) пропускания токов одних частот и задержки (или пропускания с большим затуханием) токов других частот.

Диапазон частот, пропускаемых фильтром без затухания (с малым затуханием), называется полосой пропускания или полосой прозрачности; диапазон частот, пропускаемых с большим затуханием, называется полосой затухания или полосой задерживания. Качество фильтра считается тем выше, чем ярче выражены его фильтрующие свойства, т.е. чем сильнее возрастает затухание в полосе задерживания.

В качестве пассивных фильтров обычно применяются четырехполюсники на основе катушек индуктивности и конденсаторов. Возможно также применение пассивных RC-фильтров, используемых при больших сопротивлениях нагрузки.

Фильтры применяются как в радиотехнике и технике связи, где имеют место токи достаточно высоких частот, так и в силовой электронике и электротехнике.

Для упрощения анализа будем считать, что фильтры составлены из идеальных катушек индуктивности и конденсаторов, т.е. элементов соответственно с нулевыми активными сопротивлением и проводимостью. Это допущение достаточно корректно при высоких частотах, когда индуктивные сопротивления катушек много больше их активных сопротивлений ( ), а емкостные проводимости конденсаторов много больше их активных проводимостей ( ).

Фильтрующие свойства четырехполюсников обусловлены возникающими в них резонансными режимами – резонансами токов и напряжений. Фильтры обычно собираются по симметричной Т- или П-образной схеме, т.е. при или (см. лекцию №14). В этой связи при изучении фильтров будем использовать введенные в предыдущей лекции понятия коэффициентов затухания и фазы.

Классификация фильтров в зависимости от диапазона пропускаемых частот приведена в табл. 1.

Таблица 1. Классификация фильтров

Диапазон пропускаемых частот

Низкочастотный фильтр (фильтр нижних частот)

Высокочастотный фильтр (фильтр верхних частот)

Полосовой фильтр (полосно-пропускающий фильтр)

Лекция №1

Вид материала Лекция

Содержание

Электрические фильтры
Классификация фильтров
Полосовой фильтр

Подобный материал:

  • «Социальная стратификация и социальная мобильность», 46.19kb.
  • Первая лекция. Введение 6 Вторая лекция, 30.95kb.
  • Лекция Сионизм в оценке Торы Лекция Государство Израиль испытание на прочность, 2876.59kb.
  • Текст лекций н. О. Воскресенская Оглавление Лекция 1: Введение в дисциплину. Предмет, 1185.25kb.
  • Собрание 8-511 13. 20 Лекция 2ч режимы работы эл оборудования Пушков ап 8-511 (ррэо), 73.36kb.
  • Концепция тренажера уровня установки. Требования к тренажеру (лекция 3, стр. 2-5), 34.9kb.
  • Лекция по физической культуре (15. 02.; 22. 02; 01. 03), Лекция по современным технологиям, 31.38kb.
  • Тема Лекция, 34.13kb.
  • Лекция посвящена определению термина «транскриптом», 219.05kb.
  • А. И. Мицкевич Догматика Оглавление Введение Лекция, 2083.65kb.

Электрические фильтры

Электрическим фильтром называется четырехполюсник, устанавливаемый между источником питания и нагрузкой и служащий для беспрепятственного (с малым затуханием) пропускания токов одних частот и задержки (или пропускания с большим затуханием) токов других частот.

Диапазон частот, пропускаемых фильтром без затухания (с малым затуханием), называется полосой пропускания или полосой прозрачности; диапазон частот, пропускаемых с большим затуханием, называется полосой затухания или полосой задерживания. Качество фильтра считается тем выше, чем ярче выражены его фильтрующие свойства, т.е. чем сильнее возрастает затухание в полосе задерживания.

В качестве пассивных фильтров обычно применяются четырехполюсники на основе катушек индуктивности и конденсаторов. Возможно также применение пассивных RC-фильтров, используемых при больших сопротивлениях нагрузки.

Фильтры применяются как в радиотехнике и технике связи, где имеют место токи достаточно высоких частот, так и в силовой электронике и электротехнике.

Для упрощения анализа будем считать, что фильтры составлены из идеальных катушек индуктивности и конденсаторов, т.е. элементов соответственно с нулевыми активными сопротивлением и проводимостью. Это допущение достаточно корректно при высоких частотах, когда индуктивные сопротивления катушек много больше их активных сопротивлений ( ), а емкостные проводимости конденсаторов много больше их активных проводимостей ( ).

Фильтрующие свойства четырехполюсников обусловлены возникающими в них резонансными режимами – резонансами токов и напряжений. Фильтры обычно собираются по симметричной Т- или П-образной схеме, т.е. при или (см. лекцию №14). В этой связи при изучении фильтров будем использовать введенные в предыдущей лекции понятия коэффициентов затухания и фазы.

Классификация фильтров в зависимости от диапазона пропускаемых частот приведена в табл. 1.

Таблица 1. Классификация фильтров

Название фильтра Диапазон пропускаемых частот
Низкочастотный фильтр (фильтр нижних частот)
Высокочастотный фильтр (фильтр верхних частот)
Полосовой фильтр (полосно-пропускающий фильтр)
Режекторный фильтр (полосно-задерживающий фильтр)

и ,

где

В соответствии с материалом, изложенным в предыдущей лекции, если фильтр имеет нагрузку, сопротивление которой при всех частотах равно характеристическому, то напряжения и соответственно токи на его входе и выходе связаны соотношением

. . (1)

В идеальном случае в полосе пропускания (прозрачности) , т.е. в соответствии с (1) , и . Следовательно, справедливо и равенство , которое указывает на отсутствие потерь в идеальном фильтре, а значит, идеальный фильтр должен быть реализован на основе идеальных катушек индуктивности и конденсаторов. Вне области пропускания (в полосе затухания) в идеальном случае , т.е. и .

Рассмотрим схему простейшего низкочастотного фильтра, представленную на рис. 1,а.

Связь коэффициентов четырехполюсника с параметрами элементов Т-образной схемы замещения определяется соотношениями (см. лекцию № 14)

или конкретно для фильтра на рис. 1,а

; (2)

Из уравнений четырехполюсника, записанных с использованием гиперболических функций (см. лекцию № 14), вытекает, что

Однако в соответствии с (2) — вещественная переменная, а следовательно,

. (5)

Поскольку в полосе пропускания частот коэффициент затухания , то на основании (5)

Так как пределы изменения : , — то границы полосы пропускания определяются неравенством


которому удовлетворяют частоты, лежащие в диапазоне

. (6)

Для характеристического сопротивления фильтра на основании (3) и (4) имеем

. (7)

Анализ соотношения (7) показывает, что с ростом частоты w в пределах, определяемых неравенством (6), характеристическое сопротивление фильтра уменьшается до нуля, оставаясь активным. Поскольку, при нагрузке фильтра сопротивлением, равным характеристическому, его входное сопротивление также будет равно , то, вследствие вещественности , можно сделать заключение, что фильтр работает в режиме резонанса, что было отмечено ранее. При частотах, больших , как это следует из (7), характеристическое сопротивление приобретает индуктивный характер.

Н а рис. 2 приведены качественные зависимости и .

Следует отметить, что вне полосы пропускания . Действительно, поскольку коэффициент А – вещественный, то всегда должно удовлетворяться равенство

Так как вне полосы прозрачности , то соотношение (8) может выполняться только при .

В полосе задерживания коэффициент затухания определяется из уравнения (5) при . Существенным при этом является факт постепенного нарастания , т.е. в полосе затухания фильтр не является идеальным. Аналогичный вывод о неидеальности реального фильтра можно сделать и для полосы прозрачности, поскольку обеспечить практически согласованный режим работы фильтра во всей полосе прозрачности невозможно, а следовательно, в полосе пропускания коэффициент затухания будет отличен от нуля.

Другим вариантом простейшего низкочастотного фильтра может служить четырехполюсник по схеме на рис. 1,б.

Схема простейшего высокочастотного фильтра приведена на рис. 3,а.

Для данного фильтра коэффициенты четырехполюсника определяются выражениями

; (9)

. (11)

Как и для рассмотренного выше случая, А – вещественная переменная. Поэтому на основании (9)

Данному неравенству удовлетворяет диапазон изменения частот

. (12)

Характеристическое сопротивление фильтра

, (13)

и зменяясь в пределах от нуля до с ростом частоты, остается вещественным. Это соответствует, как уже отмечалось, работе фильтра, нагруженного характеристическим сопротивлением, в резонансном режиме. Поскольку такое согласование фильтра с нагрузкой во всей полосе пропускания практически невозможно, реально фильтр работает с в ограниченном диапазоне частот.

Вне области пропускания частот определяется из уравнения

(14)

при . Плавное изменение коэффициента затухания в соответствии с (14) показывает, что в полосе задерживания фильтр не является идеальным.

Качественный вид зависимостей и для низкочастотного фильтра представлен на рис. 4.

Следует отметить, что другим примером простейшего высокочастотного фильтра может служить П-образный четырехполюсник на рис. 3,б.

Полосовой фильтр формально получается путем последовательного соединения низкочастотного фильтра с полосой пропускания и высокочастотного с полосой пропускания , причем . Схема простейшего полосового фильтра

приведена на рис. 5,а, а на рис. 5,б представлены качественные зависимости для него.

У режекторного фильтра полоса прозрачности разделена на две части полосой затухания. Схема простейшего режекторного фильтра и качественные зависимости для него приведены на рис.6.

В заключение необходимо отметить, что для улучшения характеристик фильтров всех типов их целесообразно выполнять в виде цепной схемы, представляющей собой каскадно включенные четырехполюсники. При обеспечении согласованного режима работы всех n звеньев схемы коэффициент затухания такого фильтра возрастает в соответствии с выражением , что приближает фильтр к идеальному.

Контрольные вопросы и задачи

  1. Для чего служат фильтры?
  2. Что такое полосы прозрачности и затухания?
  3. Как классифицируются фильтры в зависимости от диапазона пропускаемых частот?
  4. В каком режиме работают фильтры в полосе пропускания частот?
  5. Почему рассмотренные фильтры нельзя считать идеальными?
  6. Как можно улучшить характеристики фильтра?
  7. Определить границы полосы прозрачности фильтров на рис. 1,а и 3,а, если L=10 мГн, а С=10 мкФ.

Ответ: , .

Назначение и классификация активных фильтров

Электрический фильтр представляет собой частотно-избирательное устройство, которое пропускает сигналы определенных частот и задерживает или ослабляет сигналы других частот. В устройствах электроники фильтры используются очень широко. Различают аналоговые и цифровые фильтры. В аналоговых фильтрах обрабатываемые сигналы не преобразуют в цифровую форму, а в цифровых перед обработкой осуществляют такое преобразование. В соответствии с общей тенденцией перехода от аналоговой к цифровой электронике такие фильтры применяются все чаще. Для реализации цифрового фильтра необходимы аналого-цифровой преобразователь и микропроцессорное устройство, а сама процедура фильтрации осуществляется программным способом.

В аналоговых фильтрах в качестве частотно-зависимых элементов широко используются RC-цепи. Однако пассивные RC-звенья имеют большие потери и характеризуются низкими избирательными свойствами.

Часто возникает необходимость в фильтрах с высокими фильтрующими способностями, например, для выделения сигнала на фоне помехи. Наиболее простое решение – каскадное включение одинаковых фильтров низких частот, дающих в сумме необходимую характеристику. Однако простое каскадное соединение не дает результата без ухудшения общей характеристики, так как входное сопротивление каждого звена будет служить существенной нагрузкой для предыдущего звена. Соединенные каскадно RC-фильтры действительно дадут суммарную характеристику с крутым наклоном, но «излом» этой амплитудно-частотной характеристики не будет резким. Если поставить буферные усилители между всеми звеньями (или сделать входное сопротивление каждого звена намного выше, чем выходное сопротивление предыдущего), то можно добиться желаемого эффекта.

Поэтому такие цепи применяют с компенсирующими потери активными элементами, чаще всего с операционными усилителями. Такие избирательные усилители называют активными фильтрами.

К преимуществам активных фильтров следует отнести:

способность усиливать сигнал, лежащий в полосе их пропускания;

отсутствие индуктивностей, имеющих большие габариты;

малые масса и объем;

простота каскадного включения при построении фильтров высокого порядка.

Недостатки активных фильтров:

невозможность использования в силовых цепях, например в качестве фильтров выпрямителей;

ограниченный частотный диапазон, определяемый собственными частотными свойствами используемых усилителей;

необходимость наличия источника питания усилителя.

Как и фильтры на пассивных элементах, активные фильтры классифицируются как фильтры низких частот (ФНЧ), пропускающие сигналы с частотой от ƒ = 0 до некоторой ƒСР; фильтры высоких частот (ФВЧ), пропускающие сигналы с частотой от ƒ=ƒСР до ƒ → ∞; полосно-пропускающие (полосовые, ППФ), пропускающие сигналы в диапазоне частот от ƒСР1 до ƒСР2 и полосно-заграждающие фильтры (режекторные, ПЗФ), не пропускающие сигналы в узком диапазоне частот от ƒСР1 до ƒСР2. Типовые АЧХ приведены на рис.13.1. Переходные участки определяют изменения частотных характеристик, при этом их граничные значения представляют спад или возвышение на 3дБ относительно полос подавления или пропускания. Участок АЧХ между полосами пропускания и задерживания называется переходной полосой.

Наклон АЧХ в переходной полосе прямо определяется порядком фильтра или количеством полюсов фильтра (рис.13.2). Например, фильтр второго порядка – двухполюсный. Слово «полюс» взято из области математики – функции комплексной переменной, которая используется при расчете частотных характеристик фильтра. Для практических целей достаточно знать, что полюс указывает на слагаемое наклона ЛАЧХ на переходной полосе, обусловленной любой из RC-цепей, используемой для формирования частотной характеристики активного фильтра. Известно, что каждая RC-цепь фильтра вносит в наклон переходной полосы ЛАЧХ свои 20 дБ/дек. Например, ФНЧ 6-го порядка имеет 6 полюсов, наклон его на переходном участке равен 120 дБ/дек.

Следует обратить внимание, что в конкретной схеме наклон ЛАЧХ в переходной полосе может отличаться от названных цифр, что обусловлено взаимодействием RC-цепей и ОУ в определенном диапазоне частот.

Рис.13.1. АЧХ фильтров ФНЧ (а), ФВЧ (б), ППФ (в), ПЗФ (г)

Проектирование активных фильтров состоит из двух этапов:

решается задача аппроксимации – отыскание аналитической аппроксимирующей функции, которая с требуемой точностью воспроизводит заданную по условиям АЧХ;

решается задача схемной реализации – отыскание совокупности цепей, имеющих характеристики, достаточно близкие к аппроксимирующей функции.

Рис.13.2. ЛАЧХ ФНЧ Баттерворта разных порядков

Одним из основных методов проектирования активных фильтров, у которых порядок выше второго, является каскадное соединение звеньев 1-го и 2-го порядка, что позволяет получить фильтр любого порядка. Как видно из рис.13.3, каскадное соединение фильтров 1-го и 2-го порядков дает фильтр 3-го порядка, каскадное соединение двух фильтров 2-го порядка дает фильтр 4-го порядка. Суммарный коэффициент передачи фильтра равен произведению коэффициентов передачи исходных звеньев.

Существует несколько основных типов стандартных фильтров, которые могут использоваться для аппроксимации заданных АЧХ проектируемых активных фильтров: фильтры Баттерворта, Чебышева и Бесселя, АЧХ которых представлены на рис.13.4. Для большей наглядности АЧХ представлены в логарифмическом (а) и линейном (б) масштабе.

Рис.13.3. Структурные схемы фильтров третьего (а) и четвертого (б) порядка

Рис.13.4. Сравнение АЧХ фильтров 6-го порядка в логарифмическом (а) и линейном (б) масштабе: 1 – фильтр Бесселя, 2 – фильтр Баттерворта, 3 – фильтр Чебышева (пульсации 0,5 дБ)

На рис.13.5. показаны типичные переходные характеристики фильтров, т.е. временные диаграммы выходных напряжений при ступенчатом изменении входных сигналов. Из рисунка следует, что во временной области фильтр Бесселя имеет наилучшие свойства, фильтр Чебышева – наихудшие свойства, а фильтр Баттерворта по своим свойствам занимает промежуточное положение.

Рис.13.5 Переходные характеристики ФНЧ четвертого порядка

при ступенчатом входном сигнале: 1 – пассивный RC-фильтр, 2 – фильтр Бесселя, 3 – фильтр Баттерворта, 4 – фильтр Чебышева

Фильтр Баттерворта имеет в полосе пропускания частотную характеристику, близкую к равномерной. Наклон переходного участка определяется как 20 дБ/дек на каждую RC-цепь фильтра. Преимуществом фильтра Баттерворта является постоянство коэффициента усиления, а недостатком – нелинейность фазово-частотной характеристики.

Фильтр Чебышева имеет в полосе пропускания характеристику с волнообразными зубцами, амплитуда которых на уровне 0,5…3 дБ задается при проектировании.

Положительным свойством фильтра Чебышева является увеличение крутизны наклона переходной полосы по мере увеличения амплитуды зубцов. Возможность получения высокой скорости изменения амплитуды на переходном участке при отсутствии требований равномерности АЧХ позволяет обеспечить при помощи фильтра Чебышева наклон переходного участка с меньшим числом RC-цепей по сравнению с фильтром Баттерворта. Недостатком фильтра Чебышева является большая, чем у фильтра Баттерворта, неравномерность фазово-частотной характеристики.

Фильтр Бесселя имеет наклон переходного участка менее 20 дБ/дек при равномерности фазово-частотной характеристики. Благодаря равномерности изменения фазы в зависимости от частоты фильтры Бесселя почти не дают выбросов при подаче ступенчатых сигналов и наиболее подходят для фильтрации сигналов прямоугольной формы.

Фильтры характеризуются следующими параметрами: К – коэффициент передачи фильтра в полосе пропускания; ƒСР – частота среза (граничная), при которой К уменьшилось на 3 дБ; Δƒ = ƒСР – ƒ1 – ширина переходной полосы (формула справедлива для ФНЧ); ΔК – неравномерностью коэффициента передачи в полосе пропускания. ППФ и ПЗФ характеризуются добротностью Q, связывающую среднюю частоту полосы пропускания и ширину полосы на уровне 3дБ, или

где ƒ = – средняя частота, а ƒ1 и ƒ2 – нижняя и верхняя частоты среза на уровне 3 дБ.

Для выполнения расчетов фильтров с учетом температурных изменений параметров компонентов известные значения чувствительности позволяют ускорить получение требуемых результатов. При реализации фильтров, особенно высоких порядков, целесообразно применять резисторы с допуском номинала менее 1% и конденсаторы с допуском наминала менее 2%.

Тем не менее при этих точностях параметров компонентов необходимо использовать подстройку для получения требуемых значений средней частоты. Фильтры одного порядка любого из рассмотренных видов строятся по общей схеме и отличаются только значениями параметров компонентов.

Электрофильтры

Электрофильтры предназначены для высокоэффективной очистки технологических газов и аспирационного воздуха от твердых или жидких частиц, выделяющихся при технологических процессах в различных отраслях промышленности.

Электрические фильтры применяют в энергетике, черной и цветной металлургии, промышленности строительных материалов, химической и нефтехимической промышленности, и многих других отраслях.

Электрофильтры это высоковольтное электротехническое оборудование, в котором используется коронный разряд для зарядки взвешенных в газе частиц и их улавливания в электрическом поле. Для этого электрофильтры питаются от повысительно-вьпрямительных агрегатов с номинальным выпрямленным напряжением 80кВ, 110кВ и 150кВ.

Основные преимущества очистки газов электрофильтрами следующие:

  • электрофильтры имеют широкий диапазон производительности — от сотен до миллионов м 3 /ч
  • электрофильтры обеспечивают высокую степень очистки газов — до 99,95 %
  • электрические фильтры имеют низкое гидравлическое сопротивление — 0,2 кПа
  • электрические фильтры могут улавливать твердые и жидкие частицы размером от 0,01 мкм (вирусы, табачный дым) до десятков мкм.

Конструкция электрофильтров

Электрофильтр состоит из системы коронирующих и осадительных электродов расположенных в корпусе, системы встряхивания электродов, системы газораспределения, диффузора на входе, конфузора на выходе.

Как привило электрофильтры конструктивно представляют набор металлических пластин, между которыми натянуты металлические нити. Между нитями и пластинами создаётся разность потенциалов порядка нескольких киловольт, а в промышленных маштабах десятка киловольт. Данная разность потенциалов приводит к образованию сильного электрического поля между нитями и пластинами. При этом на поверхности нитей возникает коронный разряд, что в сочетании с электрическим полем обеспечивает ионный ток от нитей к пластинам. Загрязнённый воздух подаётся в пространство между пластинами, при этом пыль и мелкие частицы загрязнённого воздуха приобретает электрический заряд, под воздействием ионного тока, после чего под действием электрического поля притягивается к пластинам и оседают на них.

Классификация электрофильтров

В зависимости от вида улавливаемых частиц и способа их удаления с электродов, электрофильтры подразделяются на сухие и мокрые. В сухих электрических фильтрах для очистки поверхности электродов от пыли, используются механизмы встряхивания ударно-молоткового типа. Пыль из сборных бункеров выводится в сухом виде или в виде шлама. В мокрых электрофильтрах уловленный продукт с поверхности электродов, смывается жидкостью или стекает самотеком, а из бункеров удаляется в виде жидкости или шлама.

В зависимости от направления движения газа электрические фильтры делятся на горизонтальные и вертикальные.

В зависимости от формы осадительных электродов электрофильтры делят на две группы: трубчатые и пластинчатые. В трубчатых электрофильтрах в качестве осадительных электродов применяют круглые или шестигранные металлические трубы, а корони- рующими электродами служат проволоки, натянутые по оси труб. В пластинчатых электрофильтрах в каче­стве осадительных электродов используется ряд параллельных поверхностей между которыми подвешены коронирующие провода.

Особенность применения электрофильтров

В районах с умеренным климатом электротехническое оборудование размещают, как правило, на открытом воздухе, в суровых климатических условиях — в отапливаемых помещениях. Для устранения конденсации влаги на внутренних частях корпус электрофильтра теплоизолирован.

Корпуса электрофильтров рассчитаны на применение в районах с определенной сейсмичностью, которая указывается в характеристике аппаратов. Для районов с повышенной сейсмичностью необходима разработка специальных корпусов.

Высокое напряжение к электрофильтрам подводится специальным кабелем при расположении агрегатов питания в закрытых подстанциях или шинами при установке агрегатов на крышке электрофильтров.

Производство электрофильтров

Мы имеем широкий опыт в производстве и реконструкции электрофильтров с индивидуальными требованиями в различных отраслях промышленности. Для правильного выбора электрофильтра, Вы можете заполнить опросные листы и отправить их нам, либо связаться с нашими специалистами по телефону (495) 234-75-58

За последние 10 лет мы провели значительные усовершенствования электрофильтров:

  • разработаны и внедрены новые интенсивные игольчатые коронируюшие электроды типа СФ различной модификации для улавливания не высокоомной и высокоомной пыли
  • разработаны и внедрены осадительные элементы типа ЭКО МК 4×160 повышенной точности изготовления, что позволило создавать аппараты с высотой электродов до 18 метров, а также существенно повысить степень очистки за счет улучшения центровки электродных систем
  • разработано и внедрено на базе малогабаритных, надежных приводов устройство встряхивания электродов с использованием частотного преобразователя для регулирования частоты и периодичности встряхивания в широком диапазоне
  • разработан и внедрен микропроцессорный регулятор БУЭФ для агрегатов питания электрофильтров с различными программами управления, позволяющими эффективно регулировать напряжение при улавливании пыли с различными свойствами. Наличие линии связи позволяет подключить БУЭФ к современным комплексам АСУТП для управления технологическим процессом.
  • разработана и внедрена в практику конструирования аппаратов с горизонтальным ходом газа компоновка механического оборудования в корпусе аппарата с верхним встряхиванием коронирующих электродов, что позволило значительно уменьшить межпольные промежутки, увеличить активное время пребывания газа и повысить степень очистки газа в заданном корпусе.

Впервые в отечественной практике очистки газов разработан комбинированный аппарат типа ЭФ — РФ, представляющий собой последовательное соединение электрофильтра и рукавного фильтра. В таком аппарате можно очищать газ до 20 мг/нм 3 при входной запыленности 150 г/м 3 и более. Причем на степень очистки газа здесь не влияет величина удельного электрического сопротивления пыли, т.е. не требуется традиционная подготовка газа при улавливании высокоомной пыли.

Большинство этих технических решений являются оригинальными и запатентованы.

Добавить комментарий