Электрический фильтр

Электрический фильтр – это устройство для подавления или, напротив, отделения определённой составляющей сигнала. Речь может идти, как о частоте, так и фазе. По амплитуде обычно электрические сигналы не фильтруются.

Благодарности

Нельзя обойти вниманием существенную помощь В.Е. Коковина.

Общие сведения

Фильтры аппаратуры связи

Частотная фильтрация является основой создания всех передающих и приёмных устройств для распространения информации через эфир. Спектр сигнала обрезается как можно сильнее с обеих сторон канала, чтобы уменьшить шумы. В результате полезная информация может быть передана на большие расстояния. Электрические фильтры являются лишь одним из методов определения сигнала. Помимо этого могут использоваться:

  1. Подбор длины волны. Лучшей частотой считается та, которая удовлетворяет определённым критериям. Так например, длинные волны хорошо огибают поверхность Земли, а некоторые частоты отражаются от облаков или других небесных формаций. Что позволяет передать информацию буквально в любую точку планеты. В то же время короткие волны хороши для связи на малых дистанциях. Для космической связи используются частоты, не поглощаемые водяными парами. Детектирование частоты ведётся на приёмной стороне входными фильтрами высокой частоты.
  2. Кодировка информации псевдошумовыми последовательностями. С введением в практику двоичных сигналов передача сигнала на дальние расстояния стала вполне реальной задачей. Использование псевдошумового кода не только снижает требования к мощности, но и скрывает сигнал от «врага» на фоне природных течений эфира. Зная структуру закодированного сигнала, можно принять информацию при отношении сигнал/шум много меньше единицы. Фактически засечь такую трансляцию невозможно.
  3. Кодировка информации избыточной длиной позволяет на приёмной стороне исправлять ошибки. Этот метод быть скомбинирован с псевдошумовым. И тогда потеря информация практически полностью исключена. Особенно при наличии двухстороннего (дуплексного) канала. Псевдошумовая последовательность состоит из нулей и единиц. От её длины прямо зависит чувствительность приёмника – чем больше, тем и лучше. Каждая длинная последовательность, в свою очередь, представляет собой всего лишь один символ, как правило, двоичного алфавита. То есть, тоже нолик или единичку.
Фильтр связи

Фильтр связи

Во всех этих случаях вычислить сигнал позволяет электрический фильтр. Разного типа устройствами, относящимися к теме, буквально напичкана аппаратура связи. На приёмной стороне антенна ловит широкий диапазон, хотя тоже обладает избирательными свойствами. Проще говоря, тарелку, волновой канал, шип на крыше автомобиля тоже можно назвать электрическими фильтрами некоторого диапазона. Именно по этой причине бытовой приёмник помимо телескопической обычно имеет встроенные ферромагнитные антенны.

Волна улавливается входным контуром, представляющим собой подстраиваемые электрические фильтры. Современная технология не позволяет создать такое устройство, которое охватило бы все частоты. Поэтому входных фильтров в широковещательных приёмниках тоже несколько, и переключаются ручкой управления. Каждый включает в себя блок подстраиваемых конденсаторов, потому что изменить величину индуктивности сложно. В целом это весьма громоздкое и неудобное устройство. Мобильные гаджеты столь миниатюрны, потому что работают на сверхвысоких частотах, но и там тоже имеются аналогичного рода электрические фильтры.

После первичного отбора канала и обрезки помех по его бокам сигнал направляется на усилитель высокой частоты. Его избирательность сильно влияет на чувствительность приёмника. Поэтому в некоторых конструкциях применяются фильтры, аналогичные входным и для этого каскада. Затем сигнал следует на смеситель, где преобразуется в промежуточную частоту. Благодаря её фиксированному значению, последующие каскады усилителей можно тонко настроить, получив грандиозный коэффициент передачи. Фильтры здесь применяются особенные с высокой избирательностью. Это становится возможным, благодаря именно фиксированной частоте.

Читайте также:  Двухполюсный автомат

На детекторе выделяется полезный сигнал в виде человеческой речи, и подаётся на усилитель низкой частоты. В передающей аппаратуре используются подобного же рода методики для очистки сигнала, но требования гораздо более лояльны. По той причине, что эфир не вносит своего зашумляющего воздействия.

Фильтры электросетей

Помимо указанных выше в любой аппаратуре имеются фильтры цепей питания. Их задача пропускать внутрь лишь напряжение частотой 50 Гц, а все остальное отсеивать. Справедливости ради, нужно сказать, что отечественная техника, выпускаемая в СССР, не могла похвастаться качественной фильтрацией, потому что требования были иные. Сегодня чуткая электроника легко может выйти из строя, как от статической, так и обычной помехи по любой цене. Наводки легко сжигали графические адаптеры первых компьютеров.

Со временем электроники стала более защищённый, но сетевой фильтр входит обычно в состав любого оборудования, где содержатся микросхемы. Строго говоря, это не совсем правильно, потому что работающие двигатели любого типа создают много помех:

  • Асинхронные создают большие скачки напряжения при старте и пуске. В процессе работы влияние на питающую цепь не столь велико.
  • Коллекторные постоянно засоряют линию питания помехой из-за искрения. То есть работающий пылесос сильно мешает всем соседям.

Фильтры регулирующей и защитной аппаратуры

Помимо электрических фильтров цепей питания бытовой аппаратуры своеобразное оборудование со схожими задачами встречается в промышленности. Речь сейчас идёт о регулировании. В процессе эксплуатации двигателей тоже создаются помехи, и специальные фильтры занимаются этой проблемой, но отдельной строкой идёт эффективность. Имеются в виду фактор мощности и реактивная составляющая.

Когда работает двигатель, то иногда получается так, что он начинает отдавать энергию обратно в сеть. Например, при динамическом торможении вал кратковременно входит в зону генерации, и цепь питания получает скачок напряжения. Но и в номинальных режимах имеет место процесс возвращения мощности.

Трансформаторы подстанций формируют напряжение вовсе не для того, чтобы оно возвращалось назад. Но наличие реактивных сопротивлений в цепи приводит именно к этому. Образуется нечто вроде колебательного контура, по которому энергия без дела снуёт туда и сюда. Разогревает провода и не делает никакой полезной работы. Это давно замечено, и в некоторых случаях предприятие может быть оштрафовано. В частности, энергетики требуют установки счётчиков реактивной (возвращаемой) мощности.

Для анализа промышленных цепей в 1918 году был разработан метод симметричных составляющих. Оказалось, что потребляемый ток можно представить в виде трёх компонентов:

  1. Прямая последовательность.
  2. Обратная последовательность.
  3. Нулевая последовательность.

В литературе, в особенности современной, нет чёткого описания того, что обозначает то или иное выражение. Намеренное внесение путаницы только отупляет читателей. На самом деле названия достаточно чётко определяют предмет разговора, точно отражая суть. Прямая последовательность имеет место быть при чисто активной мощности, когда энергия назад не отражается, а нулевая показывает, будут ли течь токи в цепи нейтрали. Последнее случается как при авариях, так и несимметричной нагрузке. Обратная по своему смыслу характеризует реактивную мощность и возникает в тех же условиях.

Симметричные составляющие

Из-за наличия реактивных сопротивлений по всем линиям трёхфазного тока напряжение несимметричное. Оно отклонено от номинала на некоторый угол на векторной диаграмме. В результате становится сложным провести анализ. Ток течёт одновременно для питания оборудования и обратно – отражённый реактивной частью сопротивления.

Читайте также:  Солнечная батарея

Поэтому придуман анализ методом симметричных составляющих. Где каждый сигнал раскладывается на последовательности, как это было указано выше. Любое несимметричное напряжение или ток можно представить в виде суммы трёх симметричных составляющих. Каждая из них будет характеризовать тот или иной процесс. Так например, прямая последовательность характеризует потребляемую мощность. Векторное сложение всех трёх даёт напряжение или ток в той фазе, в которой они текут по цепи.

В прямой последовательности векторы сдвинуты в соседних линиях на 120 градусов. Так, как из формируют питающий трансформатор. В обратной – то же самое, но порядок фаз обратный. Если же брать прямой порядок, то сдвиг фаз составляет 240 градусов. Это и есть причина, по которой обратной последовательности дано это название. Третий ряд векторов принципиально отличается от двух других. В нем сдвиг фаз между напряжениями или токами равен нулю. Они вращаются синхронно.

Для проведения указанных математических операций существуют специальные формулы. Результат разложения несимметричной последовательности можно видеть на рисунке. Поскольку метод целиком искусственный, то нельзя видеть эти составляющие при помощи обычных амперметров и вольтметров. Исключениями служат идеальные случаи следующего рода:

  1. В идеально симметричных режимах потребления по всем фазам или аналогичного рода коротких замыканиях можно наблюдать на осциллографе прямую последовательность.
  2. Обратная последовательность может наблюдаться в случае короткого замыкания по одной или двум фазам. Либо в случае выраженной асимметрии потребления.
  3. То же самое можно сказать про нулевую последовательность. При коротких замыканиях между фазами составляющая этого рода отсутствует. И ярко проявляет себя только при утечках на грунт.

Итак, любая трёхфазная сеть может быть представлена тремя другими, вымышленными, где текут по отдельности перечисленные последовательности. И значения токов и напряжений тогда можно использовать для регулирования и защиты. Чтобы реализовать это на практике, применяют так называемые фильтры-реле симметричных последовательностей.

Фильтры симметричных составляющих

Фильтры симметричных составляющих могут работать с напряжением или током и подключаются через соответствующие трансформаторы. На вход таких устройств поступают входные снимаемые величины, а на выходе образуется управляющий сигнал. Напряжение обычно отбирается по схеме звезды, поскольку нужно получить информацию по каждой линии в отдельности.

Фильтры последовательностей, таким образом, являются весьма специфическим оборудованием и называются так за то, что при отсутствии целевого сигнала не выдают никаких управляющих воздействий. Даже если на входе присутствуют параметры. То есть выполняют фильтрующую функцию. Отсюда же проистекает требование наличия трёх типов. Так например, фильтры прямой последовательности могут использовать для учёта активной энергии. Но в большинстве случаев это оборудование является частью оснастки крупных предприятий.

Встречаются и комбинированные фильтры. Все виды коротких замыканий не могут быть отслежены по одному типу последовательности. Фильтры симметричных последовательностей по той причине включают в свой состав реле, что не могут работать с обычными, выпускаемыми серийно. При попытке подогнать их нагрузочную характеристику сильно возрастает объем, увеличивается масса. В этом секрет такого странного названия – фильтр-реле.

Ещё одной особенностью может стать отсутствие единого корпуса. Составляющие фильтра расположены отдельно в силу наличия разнородных устройств в своей составе: трансформаторов, дросселей, ёмкостей, резисторов и пр. Помимо ток и напряжения эти устройства могут отслеживать и мощность. В последнем случае становится возможным реализация на их основе счётчиков. Но, как это уже говорилось выше, электрические фильтры-реле гораздо чаще применяются в цепях защиты.