Типы фильтров

Фильтры, находящие применение в обработке сигналов, бывают

• аналоговыми и цифровыми
• пассивными или активными
• линейными и нелинейными
• рекурсивными и нерекурсивными

Среди множества рекурсивных фильтров отдельно выделяют следующие фильтры (по виду передаточной функции):

• фильтры Чебышёва
• фильтры Бесселя
• фильтры Баттерворта
• эллиптические фильтры

По порядку (степени уравнения) передаточной функции (см. также ЛАФЧХ) различают фильтры первого, второго и более высоких порядков[1]. Крутизна ЛАЧХ фильтра 1-го порядка в полосе подавления равна 20 дБ на декаду, фильтра 2-го порядка — 40 дБ на декаду, и т. д.

По тому, какие частоты фильтром пропускаются (задерживаются), фильтры подразделяются на

• фильтры нижних частот (ФНЧ)
• фильтры верхних частот (ФВЧ)
• полосно-пропускающие фильтры (ППФ)
• полосно-задерживающие (режекторные) фильтры (ПЗФ)
• фазовые фильтры

Помехоподавляющие модификации

Фильтр помехоподавляющий довольно часто применяется в контактных тумблерах. Также он подходит для конвейерных устройств различной мощности. В среднем частота фильтра указанного типа равняется 35 Гц. Модификации с волновыми преобразователями являются довольно сильно распространенными. Также важно отметить, что подключение устройств осуществляется через тетроды. Конденсаторы у модификаций уславливаются только на 4 пФ.

Проводимость у этих элементов в среднем составляет 2 мк. Канальные тетроды встречаются довольно редко. Подключается фильтр помехоподавляющий к тумблерам через переходники. Для понижения напряжения устанавливаются стабилизаторы. У многих фильтров указанной серии имеется регулируемый контактор. Для насосных станций модели не подходят из-за низкой чувствительности к импульсным помехам.

Принцип работы пассивных аналоговых фильтров

В конструкциях пассивных аналоговых фильтров

используют сосредоточенные или распределённые реактивные элементы, такие как катушки индуктивности и конденсаторы. Сопротивление реактивных элементов зависит от частоты сигнала, поэтому, комбинируя их, можно добиться усиления или ослабления гармоник с нужными частотами. Другой принцип построения пассивных аналоговых фильтров — это использование механических (акустических) колебаний в механическом резонаторе той или иной конструкции.

Фильтры на сосредоточенных элементах

Простейший LC
-фильтр нижних частот

В качестве простейших фильтров низких и высоких частот могут использоваться RC-цепь или LR-цепь. Однако они имеют невысокую крутизну АЧХ в полосе подавления, недостаточную во многих случаях: всего 6 дБ на октаву (или 20 дБ на декаду).

На рисунке показан пример простейшего LC

-фильтра нижних частот: при подаче сигнала определённой частоты на вход фильтра (слева), напряжение на выходе фильтра (справа) определяется отношением реактивных сопротивлений катушки индуктивности ( X L = ω L {displaystyle X_{L}=omega L} ) и конденсатора ( X C = 1 / ω C {displaystyle X_{C}=1/omega C} ).

Коэффициент передачи ФНЧ можно вычислить, рассматривая делитель напряжения, образованный частотно-зависимыми сопротивлениями. Комплексное (с учетом сдвига фаз между напряжением и током) сопротивление катушки индуктивности есть Z L = j ω L = j X L {displaystyle Z_{L}=jomega L=jX_{L}} и конденсатора Z C = 1 / ( j ω C ) = − j X C {displaystyle Z_{C}=1/(jomega C)=-jX_{C}} , где j 2 = − 1 {displaystyle {j}^{2}=-1} , поэтому, для ненагруженного
LC
-фильтра

K = Z C Z L + Z C {displaystyle K={frac {Z_{C}}{Z_{L}+Z_{C}}}} .

Подставляя значения сопротивлений, получим для частотно-зависимого коэффициента передачи:

K ( ω ) = 1 1 − ω 2 L C = 1 1 − ( ω / ω 0 ) 2 {displaystyle K(omega )={frac {1}{1-omega ^{2},LC}}={frac {1}{1-(omega /omega _{0})^{2}}}} .

Как видно, коэффициент передачи ненагруженного идеального ФНЧ неограниченно растет с приближением к резонансной частоте ω 0 = 1 / L C {displaystyle omega _{0}=1/{sqrt {LC}}} , и затем убывает. На очень низких частотах коэффициент передачи ФНЧ близок к единице, на очень высоких — к нулю. Принято называть зависимость модуля комплексного коэффициента передачи фильтра от частоты амлитудно-частотной характеристикой

(АЧХ), а зависимость фазы от частоты —
фазо-частотной характеристикой
(ФЧХ).

В реальных схемах к выходу фильтра подключается активная нагрузка[2], которая понижает добротность фильтра и предотвращает острый резонанс АЧХ вблизи частоты ω 0 {displaystyle omega _{0}} . Величину ρ = L / C {displaystyle rho ={sqrt {L/C}}} называют характеристическим сопротивлением фильтра

или
волновым сопротивлением фильтра
. ФНЧ, нагруженный на активное сопротивление, равное характеристическому, имеет нерезонансную АЧХ, примерно постоянную для частот ω < ω 0 {displaystyle omega <omega _{0}} , и убывающую как 1 / ω 2 {displaystyle 1/omega ^{2}} на частотах выше ω 0 {displaystyle omega _{0}} . Поэтому, частоту ω 0 {displaystyle omega _{0}} называют
частотой среза
.

Аналогичным образом строится и LC

-фильтр верхних частот. В схеме ФВЧ меняются местами катушка индуктивности и конденсатор. Для ненагруженного ФВЧ получается следующий коэффициент передачи:

K ( ω ) = ( ω / ω 0 ) 2 1 − ( ω / ω 0 ) 2 {displaystyle K(omega )={frac {(omega /omega _{0})^{2}}{1-(omega /omega _{0})^{2}}}} .

На очень низких частотах модуль коэффициента передачи ФВЧ близок к нулю. На очень высоких — к единице.

См. также: Резонанс напряжений

Фильтры с распределёнными параметрами (фильтры СВЧ)

На сверхвысоких частотах сосредоточенные элементы (конденсаторы и катушки индуктивности) практически не используются, так как с ростом частоты их типичные для этого диапазона номиналы, а следовательно и габариты, уменьшаются настолько, что изготовление их становится невозможным. Поэтому применяются так называемые линии с распределёнными параметрами, в которых индуктивность, ёмкость и активная нагрузка равномерно или неравномерно распределены по всей линии. Так, элементарный ФНЧ, рассматриваемый в предыдущем разделе, состоит из двух сосредоточенных элементов, представляющих собой резонатор; в случае же распределённых параметров фильтр будет состоять из одного элемента-резонатора (например отрезка микрополосковой линии или металлического стержня).

Конструкции СВЧ фильтров весьма разнообразны, и выбор конкретной реализации зависит от предъявляемых к устройству требований (значение рабочих частот, добротность, максимальное затухание в полосе задержания, расположение паразитных полос пропускания).

Проектирование фильтров на распределённых параметрах является достаточно сложным процессом, состоящим из двух этапов: получение электрических параметров, исходя из требований к устройству; получение габаритных параметров из полученных электрических. В основе современных методов проектирования микроволновых фильтров лежит теория связанных резонаторов.

Электромеханические фильтры

Основная статья: Электромеханический фильтр

ЭМФ с дисковыми изгибными резонаторами и магнитрострикционными преобразователями

Электромеханический фильтр (ЭМФ) содержит механическую резонансную систему (резонатор) той или иной конструкции. На входе и на выходе фильтра стоят электромеханические преобразователи, которые преобразуют электрические колебания сигнала в механические колебания рабочего тела фильтра и обратно.

ЭМФ получили распространение в трактах промежуточной частоты высококачественных радиосистем (в том числе военных, морских, радиолюбительских и других). Их преимуществом является значительно бо́льшая, чем у эквивалентных LC

-фильтров, добротность, позволяющая достичь высокой избирательности, необходимой для разделения близких по частоте радиосигналов в приёмниках.

Фильтры на поверхностных акустических волнах (ПАВ)

Типичное ПАВ устройство, в основе которого применяется встречно-гребенчатый преобразователь, используемое в качестве полосового фильтра[3].

Активные модели

Активный фильтр (выпрямитель тока) необходим для стабилизации напряжения на выходных контакторах. Уславливаются элементы указанного типа в вентиляционных системах. Также фильтры можно встретить в приводных механизмах различной мощности. Транзисторы в устройствах, как правило, используются линейного типа, а емкость их в среднем составляет 4 пФ.

Обкладки у фильтров применяются крайне редко. Подключение к вентиляционным системам осуществляется через триоды. Модификации с двоичными преобразователями встречаются крайне редко. Также важно отметить, что на рынке представлены активные фильтры, у которых высокий порог проводимости. Для насосных станций они подходят замечательно.

Применение

LC

-фильтры используются в силовых электрических цепях для гашения помех и для сглаживания пульсаций напряжения после выпрямителя. В каскадах радиоэлектронной аппаратуры часто применяются перестраиваемые
LC
-фильтры, например, простейший
LC
-контур, включенный на входе средневолнового радиоприёмника обеспечивает настройку на определённую радиостанцию.

Фильтры используются в звуковой аппаратуре в многополосных эквалайзерах для корректировки АЧХ, для разделения сигналов низких, средних и высоких звуковых частот в многополосных акустических системах, в схемах частотной коррекции магнитофонов и др.

Полосовые устройства

Полосовые модификации применяются для триггеров. Устройства указанного типа обладают хорошей проводимостью. Модели со стабилизаторами встречаются довольно редко. Непосредственно резисторы используются на 5 пФ. Варикапы у моделей устанавливаются магнитного типа. Для контактных тумблеров устройства подходят не лучшим образом. Также важно отметить, что у моделей высокая чувствительность к импульсным колебаниям.

Для решения проблем с фазовой активностью применяются переменные тетроды. Подключаются они к фильтрам через обкладку. С целью защиты резисторов используются изоляторы. У многих моделей контроллер установлен трехконтактного типа. Для насосных станций устройства подходят плохо. В данном случае проблема кроется в быстром перегреве конденсаторов.

Особенности модификаций LC

LC-фильтр устанавливается на тумблеры только контактного типа. Для приводных модификаций элементы не подходят. Контроллер в данном случае используется активного типа. Параметр проводимости на контакторе соответствует 12 мк. Если доверять отзывам специалистов, то лучевой конденсатор в устройстве обладает хорошей проводимостью. Напряжение фильтра указанного типа составляет 230 В.

Для подключения к вентиляционным системам LC-фильтр не подходит. Тепловые потери у данного элемента довольно высокие. Также важно отметить, что модель плохо справляется с импульсными помехами. Изолятор в данном случае находится только за стабилизатором. Показатель перегрузки у фильтра представленной серии составляет 30 А. Подключать модификацию через варикап запрещается. Для вентиляционных систем фильтр не подходит.

Устройство фильтра обратного осмоса

Фильтр обратного осмоса позволяет осуществить наиболее качественную очистку воды. Агрегат, который выполняет очистку, кажется достаточно сложным, но принцип его работы заключается всего лишь в том, что вода, проходящая сквозь супер-мелкую мембрану полностью очищается. Происходит это, благодаря тому, что сквозь фильтрующий элемент проходят только атомы кислорода и водорода, а все остальное проникнуть попросту неспособно. Несмотря на то, что такие фильтры являются достаточно дорогим оборудованием, они отличаются надежностью и качеством выполнения возложенных на них обязанностей.

Если Вы желаете понять, как работает фильтр для воды какой-то определенной марки и конкретного предназначения из нашего ассортимента, можно прочитать инструкцию или обратится к консультантам интернет-магазина.

Устройство фильтра на гибком соединении

Такой фильтр иногда называют стационарным, хотя это только условное обозначение, поскольку его можно в любой момент перенести в другое более удобное место после получения достаточного необходимого объема жидкости. Фильтр представляет собой колбовидную емкость из прочного пластика с наполнителем из фильтрующего вещества. Нередко, когда в составе фильтра включено два и более видов очищающих веществ, благодаря чему степень очистки воды становится выше. Соединение фильтра с водопроводом осуществляется при помощи гибкой шланги, после чего поступающая вода поднимается вверх, проходя через фильтрующую колбу, очищается и выливается в готовом виде из крана в любую подставленную емкость.