Filtros eléctricos: definición, clasificación, características, tipos principales.

Las fuentes de energía industrial proporcionan prácticas curvas de voltaje sinusoidal… Al mismo tiempo, en varios casos, las corrientes y tensiones alternas, que son periódicas, difieren mucho de las armónicas.

Los filtros eléctricos se pueden usar para suavizar las ondas de voltaje en rectificadores, demoduladores que convierten oscilaciones de alta frecuencia moduladas en amplitud en cambios relativamente lentos en el voltaje de la señal y otros dispositivos similares.

En el caso más simple, puede limitarse a la conexión en serie con la carga inductores, cuya resistencia aumenta con el orden armónico creciente y es relativamente pequeña para oscilaciones de baja frecuencia y más aún para la componente constante. Es más efectivo usar filtros en forma de U, en forma de T y en forma de L.

Definiciones básicas y clasificación de filtros eléctricos

La selectividad del filtro es su capacidad para seleccionar un cierto rango de frecuencias inherentes a la señal útil de todo el espectro de frecuencias de las corrientes que ingresan a su entrada.

Para obtener una buena selectividad, el filtro debe pasar corrientes a frecuencias inherentes a la señal deseada con una atenuación mínima y tener una atenuación máxima para corrientes en todas las demás frecuencias. De acuerdo con este filtro, se puede dar la siguiente definición.

Se denomina filtro eléctrico a un dispositivo tetrapolar que transmite corrientes en una determinada banda de frecuencias con poca atenuación (ancho de banda), y corrientes con frecuencias fuera de esta banda —con alta atenuación o, como se suele decir, no pasa (no pasa) banda de transmisión).

De acuerdo con la estructura de los circuitos, los filtros se dividen en cadena (columna) y filtros de puente. Los filtros de cadena son filtros hechos de acuerdo con circuitos de puente en forma de T, P y L. Los filtros de puente son filtros hechos en un circuito de puente.

Dependiendo de la naturaleza de los elementos, los filtros se dividen en:

• LC — cuyos elementos son inductancia y capacitancia;

• RC — elementos cuyos elementos son resistencias y capacidades activas;

• resonador — cuyos elementos son resonadores.

Según la presencia de fuentes de energía en el circuito del filtro, se dividen en:

• pasivo: no contiene fuentes de energía en el circuito;

• activo: que contiene fuentes de energía en el circuito en forma de lámpara o amplificador de cristal; a veces llamados filtros de elementos activos.

Para una caracterización completa del rendimiento del filtro, es necesario conocer sus características eléctricas, que incluyen las dependencias de frecuencia de la atenuación, el cambio de fase y la impedancia característica.

Lo mejor es un filtro que, con un número mínimo de elementos, tenga:

• la pendiente máxima de la característica de amortiguamiento;

• alta atenuación en la banda de no transmisión;

• atenuación mínima y constante en la banda de paso;

• máxima constancia de la impedancia característica en la banda de paso;

• respuesta de fase lineal;

• la posibilidad de un ajuste fácil y suave de la banda de frecuencia y su ancho;

• constancia de características que no dependen de: voltajes (corrientes) que actúan en la entrada del filtro, temperatura y humedad del ambiente, así como la influencia de perturbaciones eléctricas y magnéticas externas;

• capacidad de trabajar en diferentes rangos de frecuencia;

• el tamaño, el peso y el costo del filtro deben reducirse al mínimo.

Desafortunadamente, no existe un único tipo elemental de filtro cuyas características cumplan con todos estos requisitos. Por lo tanto, dependiendo de las condiciones específicas, se utilizan este tipo de filtros, cuyas características se ajustan mejor a los requisitos técnicos. Muy a menudo es necesario aplicar filtros a circuitos complejos que consisten en conexiones elementales de varios tipos.

Los tipos de filtros más comunes

En la Fig. 1 muestra el diagrama de un filtro simple en forma de L con el inductor L y el capacitor C conectados entre el receptor rpr y el rectificador V.

Las corrientes alternas en todas las frecuencias encuentran una resistencia inductora significativa, y un capacitor conectado en paralelo pasa las corrientes residuales de alta frecuencia a lo largo de la rama paralela. Esto reduce significativamente las ondas de voltaje en la carga. rNS.

También se pueden utilizar filtros que consisten en dos o más enlaces similares. A veces se utilizan filtros simples con resistencias en lugar de inductores.

Arroz. 1.El filtro eléctrico suavizante en forma de L más simple

Más avanzados son los filtros resonantes que utilizan. fenómenos de resonancia.

Cuando el inductor y el capacitor están conectados en serie, cuando fwL = 1 / (kwV), el circuito tendrá la conductividad más alta (activa) en la frecuencia fw y conductividades bastante altas en la banda de frecuencia cercana a la resonancia. Este circuito es un filtro de paso de banda simple.

Cuando el inductor y el capacitor están conectados en paralelo, dicho circuito tendrá la conductividad más baja en la frecuencia resonante y una conductividad relativamente baja en la banda de frecuencia cercana a la frecuencia resonante. Dicho filtro es un filtro de bloqueo para una determinada banda de frecuencia.

Para mejorar el rendimiento de un filtro de paso de banda simple, es posible utilizar un esquema (Fig. 2) en el que un inductor y un condensador están conectados en paralelo entre sí en paralelo al receptor. Tal circuito también está sintonizado en resonancia con la frecuencia de las cabras y presenta una resistencia muy alta para corrientes en la banda de frecuencia seleccionada y mucho menos resistencia para corrientes de otras frecuencias.

Arroz. 2. Esquema de un filtro de paso de banda simple

Se puede usar un filtro similar en moduladores que producen oscilaciones moduladas a una frecuencia específica. Se aplica un voltaje de señal de baja frecuencia Uc al modulador M, que se convierte en oscilaciones moduladas de alta frecuencia, y el filtro separa el voltaje de la frecuencia requerida, que se alimenta a la carga rNS.

Suponga, por ejemplo, que una corriente alterna no sinusoidal fluye a través del circuito y que las corrientes de tercer y quinto armónico muy grandes deben eliminarse de la curva de corriente del receptor.A continuación, incluiremos alternativamente dos circuitos sintonizados en resonancia para los armónicos tercero y quinto en el circuito (Fig. 3, a).

Una impedancia de línea izquierda sintonizada en resonancia para una frecuencia de 3w será muy grande para esa frecuencia y pequeña para todos los demás armónicos; el circuito derecho sintonizado en resonancia para la frecuencia 5w juega un papel similar... Por lo tanto, la curva actual del receptor de entrada casi no contendrá los armónicos tercero y quinto (Fig. 3, b), que serán suprimidos por el filtrar.

Arroz. 3. Esquema con circuitos resonantes conectados en serie sintonizados a resonancia para los armónicos tercero y quinto: a — diagrama del circuito; b — curvas de voltaje y circuito y entrada de corriente del receptor

Arroz. 4. Curva de voltaje de salida del filtro de paso de banda

En algunos casos, se realizan filtros de paso de banda más sofisticados, así como filtros de corte que pasan o no pasan oscilaciones a partir de una determinada frecuencia. Dichos filtros consisten en conexiones en forma de T o en forma de U.

El principio de funcionamiento de los filtros es que en la banda de frecuencias de frecuencia, por ejemplo, un filtro de paso de banda, la resonancia se produce en n + 1 frecuencias, donde n es el número de conexiones. Una curva Uout = f (w) para dicho filtro compuesto por tres conexiones se muestra en la Fig. 4. La resonancia ocurre en las frecuencias w1, w2, w3 y w4.

Ver también sobre este tema: Filtros de energía yFiltros de entrada y salida para convertidores de frecuencia