Расчет LC-фильтров. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Начинающему радиолюбителю

 Комментарии к статье

Комбинируя катушки индуктивности и конденсаторы, удается построить фильтры, во-первых, более высоких порядков (порядок фильтра, как правило, равен числу его реактивных элементов), т. е. имеющие более крутые скаты АЧХ в полосе задерживания, во-вторых, вносящие значительно меньшее затухание в полосе пропускания. В идеальном случае, когда катушки и конденсаторы не имеют потерь (их добротность бесконечна), LC-фильтры вообще не вносят потерь.

Самый простой LC-фильтр - колебательный контур. Включенный по приведенной на рис. 38 схеме, он будет действовать как узкополосный полосовой фильтр, настроенный на частоту

f0= 1/2π√LС.

На резонансной частоте сопротивление контура активно:

R0 = pQ.

где р - характеристическое сопротивление, равное реактивному сопротивлению катушки и конденсатора. Его удобнее подсчитать по формуле

р = √L/C.

Поскольку конденсатор, как правило, почти не вносит потерь, добротность контура равна добротности катушки. Проще определить резонансную частоту и добротность экспериментально, собрав каскад по приведенной выше схеме. Понадобятся генератор сигналов, создающий входное напряжение Uвх, и какой-либо измеритель выхода с высоким внутренним сопротивлением, лучше всего осциллограф. Он послужит для регистрации напряжения Uвых.

Изменяя частоту генератора, удастся зарегистрировать максимум Uвых на резонансной частоте контура f0. Резистор R1 и резонансное сопротивление контура r0 образуют делитель, и

Uвых = Uвх/(R1+r0).

Измерив напряжения на входе и выходе, теперь легко рассчитать резонансное сопротивление, а затем и добротность контура.

Другой способ измерения добротности состоит в измерении полосы пропускания контура 2Δf, где Δf есть отклонение частоты генератора, при котором Uвых падает до 0,7 от резонансного значения. Добротность связана с полосой пропускания простой формулой

Q = f0/2Δf.

При этом надо иметь в виду, что будет измерена не собственная (конструктивная) добротность контура Q0, а несколько меньшая величина - добротность контура, зашунтированного резистором R1. Поэтому сопротивление резистора в этом эксперименте следует выбирать как можно больше. Часто резистор заменяют конденсатором малой емкости, практически бывает достаточно поднести щуп генератора к верхнему (по схеме) выводу контура.

Входное сопротивление осциллографа, или другого прибора, подключенного к контуру, также не бесконечно большое, и, конечно, оно уменьшает его добротность. Методика расчета "нагруженной" добротности проста: надо найти новое резонансное сопротивление, образованное параллельным соединением R1 и R0, после чего разделить его на р. Затем аналогично учитывается и сопротивление R2, подключенное к выходу.

Одноконтурный полосовой фильтр - весьма несовершенное устройство. Если мы хотим использовать свойства контура полностью, т. е. получить острую резонансную кривую, соответствующую конструктивной добротности, то контур надо нагружать слабо выбирая R1 и R2 намного больше R0. Тогда коэффициент передачи мощности получается малым, что означает большие потери в полосе пропускания. Если же нагрузить контур сильно, выбрав R1 = R2 << R0, то коэффициент передачи стремится к максимально возможному (-6 дБ), но зато контур практически полностью теряет свои резонансные свойства. Тем не менее одиночный контур часто используют на входе радиоприемников или в резонансных усилителях из-за его простоты.

Коэффициент передачи напряжения увеличивается, если хотя бы R2 можно сделать большим (например, подключив контур к затвору полевого транзистора, служащего для дальнейшего усиления сигнала). Остается согласовать контур со стороны входа (например, с 75-омным фидером антенны). Используют автотрансформаторную связь (рис. 39) или емкостный делитель (рис. 40).

В первом случае

R1 = R0(n1/n0)²,

где n1 - число витков от "земли" до отвода: n0 - общее число витков катушки (связь частей катушки полагается сильной) Во втором случае

R1 = R0C1²/(C1 +С2)².

Если R2 не бесконечно, то сначала надо учесть его, вычислив новое R0 (уменьшенное параллельным подключением R2), а потом уже рассчитывать согласование по входу. Параметры узкополосного полосового фильтра удается значительно улучшить, включая два, три и более контуров. Связь между ними может быть индуктивной или внешней емкостной. Коэффициент взаимоиндукции выбирается в Q раз меньше индуктивности катушек, а емкость конденсаторов связи - в Q раз меньше контурных емкостей, причем Q определяется из требуемой полосы пропускания фильтра. Если О намного меньше конструктивной добротности катушек, потери в фильтре получаются малыми. Вход и выход фильтра нагружаются резисторами R = рQ.

Сигнал в контур можно подать не только параллельным способом, как описано выше, но и последовательно, как на рис. 41. При этом, если необходимо получить острую резонансную кривую, сопротивление R2, как и прежде, надо выбирать возможно больше, a R1, напротив, возможно меньше. При малом внутреннем сопротивлении генератора такой контур имеет большой коэффициент передачи напряжения на резонансной частоте, в пределе равный Q. На самых низких частотах коэффициент передачи стремится не к нулю, как в уже рассмотренных фильтрах, а к единице.

Весьма интересен случай, если в фильтре по схеме рис. 41 сопротивления на входе и выходе выбрать равными характеристическому, т. е. R1 = R2 = р.

Получается согласованный ФНЧ, коэффициент передачи которого постоянен и равен 1/2 (-6 дБ) на всех частотах от нуля до резонансной частоты контура L1C1, а при дальнейшем повышении частоты уменьшается. Крутизна ската АЧХ составляет 12 дБ на октаву как и должно быть у фильтра второго порядка.

В полосе пропускания фильтра 0...f0 коэффициент передачи часто полагают равным единице, считая входным напряжением не ЭДС генератора, а напряжение между верхним по схеме выводом резистора R1 и общим проводом. Более того, резистором R1 может быть внутреннее сопротивление генератора. Генератор как бы "видит" сопротивление нагрузки R2 сквозь прозрачный в полосе пропускания фильтр и отдает максимальную мощность при R1 = R2.

Кстати сказать, большинство измерительных генераторов имеют стандартное внутреннее сопротивление 50 Ом, и шкала выходного напряжения проградуирована для случая их нагрузки также на 50 Ом. Если выход такого генератора ничем не нагружать, выходное напряжение будет вдвое больше, чем показывает шкала выходного аттеннюатора!

Для получения более крутых скатов АЧХ используют пару описанных Г-образных звеньев, соединяя их в соответствии с рис. 42, чтобы образовать Т-образное звено, или в соответствии с рис. 43 чтобы образовать П-образное звено. При этом получаются ФНЧ третьего порядка. Обычно предпочитают П-образные звенья, поскольку в них меньше трудоемких в изготовлении катушек индуктивности.

Возможно и дальнейшее "наращивание" порядка фильтров, Для примера на рис. 44 показано, как из двух П-образных звеньев составлен двухзвенный ФНЧ пятого порядка.

Он имеет весьма крутую АЧХ в полосе задерживания - 30 дБ на октаву. Ее удается сделать еще круче если параллельно катушкам подключить дополнительные конденсаторы небольшой емкости. На частотах образовавшихся резонансных контуров получаются две точки "бесконечного затухания", лежащие в полосе задерживания. В ряде случаев роль дополнительных конденсаторов может выполнять междувитковая емкость катушек.

ФВЧ конструируют подобным же образом, лишь катушки заменяются конденсаторами, а конденсаторы - катушками. Широкополосные полосовые фильтры получают каскадным соединением ФНЧ и ФВЧ, желательно с разделительным усилительным каскадом между ними.

Вопрос для самопроверки. Пользуясь формулами этой главы, выведите расчетные формулы для индуктивности и емкости Г-образного звена ФНЧ. Рассчитайте ФНЧ по рис. 44 для радиолюбительского гетеродинного приемника. Заданы частота среза фильтра 2,7 кГц и характеристическое сопротивление 1,6 кОм.

Нарисуйте схему фильтра с обозначением номиналов элементов и постройте его АЧХ в логарифмическом масштабе.

Ответ. Параметры согласованного Г-образного звена ФНЧ (рис. 41, 42) находятся из соотношения R = р, где R - сопротивление нагрузки фильтра; р - его характеристическое сопротивление, равное реактивному сопротивлению его элементов на частоте среза:

L=R/2πf_c,C=1/2πf_cR.

Получив эти формулы, уже не составляет большого труда рассчитать элементы двузвенного ФНЧ (рис. 44) гетеродинного приемника с учетом того, что индуктивности обеих катушек должны составить 2L, емкости крайних конденсаторов - С, емкость среднего конденсатора - 2С:

L= 1,6-10³/6,28.2,7-10³ - 0,095Гн = 95 мГн, 2L= 190 мГн;

С = 1/6,28·2,7·10³·1,6·10³ = 0,037х10^-6Ф = 0,037 мкФ, 2С = 0,074 мкФ.

При практическом изготовлении фильтра число витков катушки рассчитывают, пользуясь сведениями, изложенными в главе 5. В данном случае целесообразно использовать ферритовые кольца, обеспечивающие неплохую добротность катушки и мало подверженные наводкам от посторонних полей. Несколько хуже и в том, и в другом отношении магнитопроводы из Ш-образных стальных пластин, например, от трансформаторов, использовавшихся ранее в портативных транзисторных приемниках.

Для примера рассчитаем число витков катушки на ферритовом кольце К16x8x4 из феррита марки 2000НМ. Воспользуемся формулой L=μμ₀N²/l. Подставив в нее значения μ = 2000, μ₀ = 4π-10^-7rH/M,S=16·10^-6M², l=38·10^-3M, получаем L -10^-6N² или N - 10³L Подставляя значение L = 0,19 Гн, получаем N = 430 витков. Надо заметить, что, вопреки распространенному мнению, подобные простые фильтры довольно-таки некритичны к разбросу параметров их элементов, во всяком случае отклонения на ± 5 % практически мало сказываются на форме АЧХ. С соответствующей точностью допустимо проводить и расчеты. Сопротивления источника и нагрузки фильтра еще менее критичны, и здесь допустимы отклонения до ± 25 %.

Автор: В.Поляков, г.Москва

Смотрите другие статьи раздела Начинающему радиолюбителю.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Оптимальная продолжительность сна 12.11.2025

Сон играет ключевую роль в поддержании здоровья, когнитивных функций и общего самочувствия. Несмотря на широко распространенный стереотип о восьмичасовом сне, последние исследования показывают, что оптимальная продолжительность сна для большинства здоровых взрослых ближе к семи часам. Эволюционный биолог из Гарварда, Дэниел Э. Либерман, утверждает, что традиционная норма восьми часов сна - это скорее культурное наследие индустриальной эпохи, чем биологическая необходимость. По его словам, полевые исследования, проведенные в сообществах, не использующих электричество, показывают, что средняя продолжительность сна составляет 6-7 часов, что значительно отличается от общепринятого стандарта. Современные эпидемиологические данные подтверждают этот взгляд. Исследования выявили так называемую "U-образную кривую" зависимости между продолжительностью сна и рисками для здоровья. Минимальные показатели заболеваемости и смертности наблюдаются именно у людей, спящих около семи часов в сутки. ...>>

Дефицит кислорода усиливает выброс закиси азота 12.11.2025

Парниковые газы играют ключевую роль в изменении климата, а закись азота (N2O) - один из наиболее опасных среди них. Этот газ не только втрое сильнее углекислого газа в удержании тепла, но и разрушает озоновый слой. Недавнее исследование американских ученых показало, что микробы в зонах с низким содержанием кислорода активно производят N2O, усиливая глобальные климатические риски. Команда из Университета Пенсильвании изучала прибрежные воды у Сан-Диего и провела наблюдения на глубинах от 40 до 120 метров в Восточной тропической северной части Тихого океана - одной из крупнейших зон дефицита кислорода. Исследователи сосредоточились на том, как морские микроорганизмы превращают нитраты в закись азота. В ходе работы выяснилось, что существует два пути образования N2O. Один путь начинается с нитрата, другой - с нитрита. На первый взгляд более короткий путь должен быть эффективнее, однако микробы, использующие нитрат, продуцируют больше газа, поскольку этот "сырьевой" источник более д ...>>

Омега-3 помогают молодым кораллам выживать 11.11.2025

Сохранение коралловых рифов становится все более актуальной задачей в условиях глобального изменения климата. Молодые кораллы особенно уязвимы на ранних стадиях развития, когда стрессовые условия и нехватка питательных веществ могут привести к высокой смертности. Недавнее исследование ученых из Технологического университета Сиднея показывает, что специальные пищевые добавки способны существенно повысить выживаемость личинок кораллов. В ходе работы исследователи разработали особый состав "детского питания" для коралловых личинок. В него вошли масла, богатые омега-3 жирными кислотами, а также важные стерины, необходимые для формирования клеточных мембран. Личинки, получавшие эти добавки, развивались быстрее, становились крепче и демонстрировали более высокую устойчивость к стрессовым факторам. Особое внимание ученые уделили липидам. Анализ показал, что личинки активно усваивают эти вещества, что напрямую влияет на их жизнеспособность. Стерины, содержащиеся в корме, повышают устойчи ...>>

Случайная новость из Архива Нейтрино расскажут, почему мы существуем 21.08.2016 Коллаборация T2K представила на проходящей в Чикаго Международной конференции по физике высоких энергий доклад с результатами исследования нейтрино. В частности, речь идет о различных превращениях нейтрино и антинейтрино, что свидетельствует о нарушении CР симметрии. Возникшая в результате Большого взрыва Вселенная должна быть симметричной: в ней должно существовать одинаковое количество материи и антиматерии. За это отвечает так называемая CР симметрия, принцип, согласно которому законы физики должны быть такими же, если физическую систему отразить в зеркале, а всю материю поменять на антиматерию. Однако сегодня во Вселенной преобладает материя, благодаря чему мы и существуем. Иначе наша Вселенная содержала бы только фотоны в результате неизбежной аннигиляции материи и-антиматерии. Почему это именно так - один из самых интригующих вопросов во всей науке. Объяснить наблюдаемое преобладание материи над антиматерией можно только при условии нарушения CP симметрии. Такое нарушение впервые обнаружено еще в 1964 году (Нобелевская премия 1980 года). Оно позволяет очень тяжелым нейтральным частицам распадаться на нейтрино с немного более высокой скоростью, чем на антинейтрино, что создает первоначальный дисбаланс в количестве вещества и антивещества. Без этого процесса мы не могли бы существовать. Нейтрино представляют собой слабовзаимодействующие с веществом элементарные частицы, существующие в трех видах - "ароматах": электронное, мюоное и тау нейтрино и антинейтрино, которые могут превращаться друг в друга (осциллировать). Если для них происходит нарушение СР симметрии, то оно будет проявляться в виде разницы вероятностей осцилляций нейтрино и антинейтрино. В эксперименте T2K (Tokai to Kamioka, "Токай в Камиоку") физики в первую очередь исследуют превращение мюонных нейтрино в электронные нейтрино, впервые обнаруженные в нем в 2011 году. Существующее оборудование позволяет осуществить наиболее точные на сегодняшний день измерения вероятности этих осцилляций и разности между массами нейтрино. Пучок мюоных нейтрино или антинейтрино производится на ускорителе протонов исследовательского комплекса J-PARC, расположенного в деревне Токай на восточном побережье Японии. Затем он проходит 295 км и поступает в гигантский подземный детектор Супер-Камиоканде в Камиока, недалеко от западного побережья Японии.

Другие интересные новости:

▪ Смартфоны ZTE Nubia Z5S и Z5S mini

▪ Складной электрический велосипед

▪ Samsung с новой ОС

▪ Датчик осанки

▪ Пульт дистанционного управления новой серии

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Передача данных. Подборка статей

▪ статья Маленькая победоносная война. Крылатое выражение

▪ статья Почему студия Disney стала избегать слов женского рода в названиях мультфильмов? Подробный ответ

▪ статья Проведение экскурсий по биологии. Типовая инструкция по охране труда

▪ статья Преимущества электронных трансформаторов для галогенных ламп. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья ВЧ генератор. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2025