Filtros elétricos — definição, classificação, características, principais tipos

As fontes de energia industriais fornecem curvas de tensão sinusoidais… Ao mesmo tempo, em vários casos, as correntes e tensões alternadas, que são periódicas, diferem acentuadamente das harmônicas.

Filtros elétricos podem ser usados ​​para suavizar ondas de tensão em retificadores, demoduladores que convertem oscilações de alta frequência moduladas em amplitude em mudanças relativamente lentas na tensão do sinal e outros dispositivos semelhantes.

No caso mais simples, você pode se limitar à conexão serial com a carga indutores, cuja resistência aumenta com o aumento da ordem harmônica e é relativamente pequena para oscilações de baixa frequência e ainda mais para a componente constante. É mais eficaz usar filtros em forma de U, em forma de T e em forma de L.

Definições básicas e classificação de filtros elétricos

A seletividade do filtro é sua capacidade de selecionar uma certa faixa de frequências inerente ao sinal útil de todo o espectro de frequência das correntes que entram em sua entrada.

Para obter uma boa seletividade, o filtro deve passar correntes nas frequências inerentes ao sinal desejado com atenuação mínima e ter atenuação máxima para correntes em todas as outras frequências. De acordo com este filtro, a seguinte definição pode ser dada.

Um filtro elétrico é chamado de dispositivo quadripolar que transmite correntes em uma determinada faixa de frequência com pouca atenuação (largura de banda), e correntes com frequências fora dessa faixa — com alta atenuação ou, como se costuma dizer, não passa (não banda de transmissão).

De acordo com a estrutura dos circuitos, os filtros são divididos em filtros de cadeia (coluna) e filtros de ponte. Filtros de corrente são filtros feitos de acordo com circuitos de ponte em forma de T, P e L. Filtros de ponte são filtros feitos em um circuito de ponte.

Dependendo da natureza dos elementos, os filtros são divididos em:

• LC — elementos dos quais são indutância e capacitância;

• RC — elementos dos quais são resistências e capacidades ativas;

• ressonador — cujos elementos são ressonadores.

De acordo com a presença de fontes de energia no circuito do filtro, elas são divididas em:

• passivo — não contendo fontes de energia no circuito;

• ativo — contendo fontes de energia no circuito na forma de uma lâmpada ou amplificador de cristal; às vezes chamados de filtros de elemento ativo.

Para uma caracterização completa do desempenho do filtro, é necessário conhecer suas características elétricas, que incluem as dependências de frequência de atenuação, deslocamento de fase e impedância característica.

O melhor é um filtro que, com um número mínimo de elementos, tenha:

• a inclinação máxima da característica de amortecimento;

• alta atenuação na banda de não transmissão;

• atenuação mínima e constante na banda passante;

• constância máxima da impedância característica na banda passante;

• resposta de fase linear;

• a possibilidade de ajuste fácil e suave da banda de frequência e sua largura;

• constância de características que independem de: tensões (correntes) atuantes na entrada do filtro, temperatura e umidade do ambiente, bem como influência de perturbações elétricas e magnéticas externas;

• capacidade de trabalhar em diferentes faixas de frequência;

• o tamanho, peso e custo do filtro devem ser mínimos.

Infelizmente, não existe um único tipo elementar de filtro cujas características atendam a todos esses requisitos. Portanto, dependendo das condições específicas, são utilizados esses tipos de filtros, cujas características atendem melhor aos requisitos técnicos. Muitas vezes é necessário aplicar filtros a circuitos complexos que consistem em conexões elementares de vários tipos.

Os tipos mais comuns de filtros

Na fig. 1 mostra o diagrama de um filtro simples em forma de L com o indutor L e o capacitor C conectados entre o receptor rpr e o retificador V.

As correntes alternadas em todas as frequências encontram uma resistência indutora significativa e um capacitor conectado em paralelo passa as correntes residuais de alta frequência ao longo do ramo paralelo. Isso reduz significativamente as ondulações de tensão na carga. rNS.

Filtros que consistem em dois ou mais links semelhantes também podem ser usados. Às vezes, filtros simples com resistores são usados ​​em vez de indutores.

Arroz. 1.O filtro elétrico em forma de L de alisamento mais simples

Mais avançados são os filtros ressonantes que eles usam fenômenos de ressonância.

Quando o indutor e o capacitor estiverem conectados em série, quando fwL = 1 / (kwV), o circuito terá a maior condutividade (ativa) na frequência fw e condutividades bastante altas na faixa de frequência próxima à ressonância. Este circuito é um filtro passa-faixa simples.

Quando o indutor e o capacitor são conectados em paralelo, tal circuito terá a menor condutividade na frequência ressonante e condutividade relativamente baixa na banda de frequência próxima à frequência ressonante. Esse filtro é um filtro de bloqueio para uma determinada banda de frequência.

Para melhorar o desempenho de um filtro passa-banda simples, é possível usar um esquema (Fig. 2) no qual um indutor e um capacitor são conectados em paralelo um ao outro em paralelo ao receptor. Tal circuito também é sintonizado em ressonância com a frequência das cabras e apresenta resistência muito alta para correntes na faixa de frequência selecionada e muito menos resistência para correntes de outras frequências.

Arroz. 2. Esquema de um filtro passa-banda simples

Um filtro semelhante pode ser usado em moduladores que produzem oscilações moduladas em uma frequência específica. Uma tensão de sinal de baixa frequência Uc é aplicada ao modulador M, que é convertida em oscilações moduladas de alta frequência, e o filtro separa a tensão da frequência necessária, que é alimentada à carga rNS.

Suponha, por exemplo, que uma corrente alternada não senoidal flua através do circuito e que correntes muito grandes de terceiro e quinto harmônicos devam ser eliminadas da curva de corrente do receptor.A seguir, vamos incluir alternadamente dois circuitos sintonizados em ressonância para o terceiro e quinto harmônicos no circuito (Fig. 3, a).

Uma impedância de linha esquerda sintonizada em ressonância para uma frequência de 3w será muito grande para essa frequência e pequena para todos os outros harmônicos; um papel semelhante é desempenhado pelo circuito certo sintonizado para ressonância para frequência 5w... Portanto, a curva de corrente do receptor de entrada quase não conterá o terceiro e o quinto harmônicos (Fig. 3, b), que serão suprimidos pelo filtro.

Arroz. 3. Esquema com circuitos ressonantes conectados em série sintonizados em ressonância para o terceiro e quinto harmônicos: a — diagrama do circuito; b — curvas de tensão e circuito e corrente inp do receptor

Arroz. 4. Curva de tensão de saída do filtro passa-banda

Em alguns casos, são executados filtros passa-faixa mais sofisticados, bem como filtros de corte que passam ou não passam por oscilações a partir de uma determinada frequência. Esses filtros consistem em conexões em forma de T ou em forma de U.

O princípio de funcionamento dos filtros é que na faixa de frequência de frequências, por exemplo, um filtro passa-faixa, a ressonância ocorre em n + 1 frequências, onde n é o número de conexões. Uma curva Uout = f (w) para tal filtro composto de três conexões é mostrada na Fig. 4. A ressonância ocorre nas frequências w1,w2, w3 e w4.

Veja também neste tópico: Filtros de energia eFiltros de entrada e saída para conversores de frequência