Электронные компоненты

Фактически, мы рассмотрели  «четырёхполюсник» состоящий из катушки индуктивности и резистора, который называют интегрирующей  цепочкой.  
       Интегрирующая цепочка чаще всего применяется для формирования пилообразных импульсов в любой радио аппаратуре и временной (ударение на "о") задержки прямоугольных импульсов. Чтобы, Вам было понятнее, интегрирующая цепочка и получение пилообразного импульса изображены на следующем рисунке. Для получения последнего, используется наиболее прямолинейный участок интегрированного импульса - его начало, и "обрезается" по времени или по амплитуде (порогу). 
      Для задержки импульсов используют пороговое устройство. По достижении амплитуды сигнала прошедшего через интегрирующую цепочку определённого значения (порога), пороговое устройство пропускает входной сигнал на выход. После чего, сигнал усиливается усилителем до необходимой величины. В целях уменьшения размеров (исключения громоздкости), схемы формирования пилообразных импульсов, и схемы задержки импульсов эффективнее делать на интегрирующей цепочке состоящей из резистора и конденсатора.       

Кроме функции преобразования прямоугольных импульсов, интегрирующая  цепочка может применяться в  качестве фильтра низких частот (ФНЧ). Индуктивность – инертный элемент. Если к дросселю с большим значением индуктивности приложить переменное напряжение высокой частоты, в силу своей инертности, индуктивность будет не способной пропустить через себя ток, ведь индуктивности сначала надо будет запастись энергией в собственном сердечнике, а потом отдавать эту энергию. Свойство индуктивности сопротивляться переменному электрическому току называют реактивным сопротивлением индуктивности, которое используется при конструировании частотных фильтров и колебательных контуров. Реактивное сопротивление индуктивности обозначается X_L или Z_L и измеряется в Омах. Реактивное сопротивление индуктивности связано с частотой тока выражением:

 
      Из формулы видно, что реактивное сопротивление индуктивности прямо  пропорционально частоте. Другими  словами, чем выше частота, тем больше реактивное сопротивление индуктивности.  
      Теперь представьте, что интегрирующая цепь, это – описанный на сайте делитель напряжения, где вместо первого резистора выступает индуктивность. А мы из формулы теперь знаем, что индуктивность легко пропускает низкие частоты – его сопротивление минимально и плохо пропускает высокие частоты – его сопротивление максимально. Не изменяя текста повторюсь: В радиоэлектронике, когда рассчитывают частотные фильтры, то считают характеристикой фильтра – частоту среза, которая определяется как значение частоты сигнала, на котором амплитуда выходного сигнала уменьшается (затухает) до значения 0,7 от входного сигнала. Чтобы было понятнее, изображу это на рисунке.  
      То, что изображено, называется амплитудно-частотной характеристикой, или сокращённо - АЧХ. Для фильтра высоких частот соответствует АЧХ фиолетового цвета, и частота среза равная значению f₂.  
      Зная, как рассчитывается делитель напряжения и реактивное сопротивление индуктивности на определённой частоте, Вы элементарно можете рассчитать простейший г-образный фильтр низкой частоты на катушке индуктивности (дросселе) и резисторе.       

Если в интегрирующей  цепочке поменять местами индуктивность  и резистор, то мы получим – дифференцирующую цепочку. Все процессы в дифференцирующей цепочке происходят точно так же, как и в интегрирующей. Временные графики, показанные на первом рисунке абсолютно справедливы для дифференцирующей цепочки. Отличие заключается в том, что выходным элементом является не резистор, а катушка индуктивности. Как описывалось в статье про конденсатор: если дифференцирующая цепочка – это фильтр высоких частот, то интегрирующая цепочка – это фильтр низких частот (ФНЧ). И рассчитывается он так же, через делитель напряжения. Для фильтра низких частот соответствует АЧХ на рисунке - оранжевого цвета, и частота среза равная значению f₁.       

Cледует добавить, частотные  фильтры, выполненные на катушках  индуктивности и резисторах, так  же, как и на конденсаторах  и резисторах имеют пологую  амплитудно-частотную характеристику. Другими словами у таких фильтров  слабо выражен частотный срез. Более качественный срез, имеют  фильтры состоящие из конденсаторов  и катушек индуктивности (дросселей), но об этом в следующей статье.

Фильтры высоких и низких частот

 

 

      Фильтры высоких  и низких частот - это электрические цепи, состоящие из элементов, обладающих нелинейной АЧХ - имеющих разное сопротивление на разных частотах.  
      Частотные фильтры можно поделить на фильтры верхних (высоких) частот и фильтры нижних (низких) частот. Почему чаще говорят «верхних», а не «высоких» частот? Потому, что в звукотехнике низкие частоты заканчиваются 2 килогерцами и начинаются высокие частоты. А в радиотехнике 2 килогерца это другая категория – частота звука, а значит «низкая частота»! В звукотехнике есть ещё понятие - средние частоты. Так вот, фильтры средних частот, это, как правило, либо комбинация двух фильтров нижних и верхних частот, либо другого рода полосовой фильтр.  
      Повторимся ещё раз:  
      Для характеристики фильтров низких и высоких частот, да и не только фильтров, а любых элементов радиосхем, существует понятие – амплитудно-частотная характеристика, или АЧХ.

Частотные фильтры  характеризуются показателями:

 
      Частота среза – это частота, на которой происходит спад амплитуды выходного сигнала фильтра до значения 0,7 от входного сигнала.  
      Крутизна частотной характеристики фильтра – это характеристика фильтра, показывающая, насколько резко происходит уменьшение амплитуды выходного сигнала фильтра при изменении частоты входного сигнала. В идеале нужно стремиться к максимальному (вертикальному) спаду АЧХ.       

Частотные фильтры изготавливаются  из элементов, обладающих реактивными  сопротивлениями – конденсаторов  и катушек индуктивности. Реактивные сопротивления, используемых в фильтрах конденсаторов (Х_C) и катушек индуктивности (X_L) связаны с частотой ниже приведёнными формулами:

                   

Расчёт фильтров до проведения экспериментов с использованием специального оборудования (генераторов, спектр-анализаторов и других приборов), в домашних условиях проще сделать  в программе Microsoft Excel, сделав простейшую автоматическую расчётную табличку (надо уметь работать с формулами  в Excel). Я пользуюсь таким способом, для расчёта любых цепей. Сначала  делаю табличку, подставляю данные, получаю расчёт, который переношу на бумагу в виде графика АЧХ, меняю  параметры, и снова рисую точки  АЧХ. В таком способе, не надо разворачивать  «лабораторию измерительных приборов», расчёт и рисование АЧХ производится быстро.       

Следует добавить, что расчёт фильтра тогда будет  верен, когда будет выполняться  правило:  
      Для обеспечения точности фильтра, необходимо чтобы значение сопротивления элементов фильтра было приблизительно на два порядка меньше (в 100 раз) сопротивления нагрузки подключаемой к выходу фильтра. С уменьшением этой разницы, качество фильтра ухудшается. Связано это с тем, что сопротивление нагрузки влияет на качество частотного фильтра. Если Вам не нужна высокая точность, то эту разницу можно снизить до 10 раз.       

Частотные фильтры  бывают:  
   1. Одноэлементные (конденсатор – как фильтр высоких частот, или дроссель – как фильтр низких частот);  
   2. Г-образные – по внешнему виду напоминают букву Г, обращённую в другую сторону;  
   3. Т-образные – по внешнему виду напоминают букву Т;  
   4. П-образные – по внешнему виду напоминают букву П;  
   5. Многозвенные – те же Г-образные фильтры соединённые последовательно.

Одноэлементные фильтры высоких  и низких частот

 

      Как правило, одноэлементные фильтры высоких  и низких частот применяют непосредственно  в акустических системах мощных усилителей звуковой частоты, для улучшения  звучания самих звуковых «колонок». Они подключаются последовательно  с динамическими головками. Во первых, они берегут как динамические головки от мощного электрического сигнала, так и усилитель от низкого  сопротивления нагрузки не нагружая его лишними динамиками, на той  частоте, которую эти динамики не воспроизводят. Во вторых, они делают воспроизведение приятнее на слух.  
      Чтобы рассчитать одноэлементный фильтр, необходимо знать реактивное сопротивление катушки динамической головки. Расчёт производится по формулам делителя напряжения, что так же справедливо для Г-образного фильтра. Чаще всего, одноэлементные фильтры подбирают «на слух». Для выделения высоких частот на «пищалке» последовательно с ней устанавливается конденсатор, а для выделения низких частот на низкочастотном динамике (или сабвуфере), последовательно с ним подключается дроссель (катушка индуктивности). Например, при мощностях порядка 20…50 Ватт, на пищалки оптимально использовать конденсатор на 5…20 мкФ, а в качестве дросселя низкочастотного динамика использовать катушку, намотанную медным эмалированным проводом, диаметром 0,3…1,0 мм на бобину от видеокассеты VHS, и содержащую 200…1000 витков. Указаны широкие пределы, потому, как подбор – дело индивидуальное.

Г- образные фильтры

 

      Г- образный фильтр высоких, или низких частот - делитель напряжения, состоящий из двух элементов с нелинейной АЧХ. Для Г-образного фильтра действует схема и все формулы, делителя напряжения.

Г-образные частотные  фильтры на конденсаторе и резисторе       

Фильтр высоких частот получается путём замены резистора R₁ делителя напряжения на конденсатор С, обладающий своим реактивным сопротивлением Х_C.

      

Принцип действия такого фильтра: конденсатор, обладая малым реактивным сопротивлением на высоких частотах, пропускает ток беспрепятственно, а  на низких частотах его реактивное сопротивление максимально, поэтому  ток через него не проходит.  
      Из статьи «Делитель напряжения» мы знаем, что значения резисторов можно описать формулами:

   или           

Принимая входное напряжение за 1 (единицу), а выходное напряжение за 0,7 (значение соответствующее срезу), зная, реактивное сопротивление конденсатора, которое равно:

      

Подставив значения напряжений, мы найдём Х_C и частоту среза.  
      Можно делать расчёты и в обратном порядке. С учётом того, что амплитуда выходного напряжения фильтра (как делителя напряжения) на частоте среза АЧХ должна быть равна 0,7 от входного напряжения, следует, что отношение сопротивления резистора R₂ к сопротивлению резистора R₁ (Х_C) соответствует: R₂ / R₁ = 0,7/0,3 = 2,33. Отсюда следует: С = 1,16 / R₂πf, где f – частота среза АЧХ фильтра.       

Фильтр низких частот получается путём замены резистора R₂ делителя напряжения на конденсатор С, обладающий своим реактивным сопротивлением Х_C.

      

Принцип действия такого фильтра: конденсатор, обладая малым реактивным сопротивлением на высоких частотах, шунтирует токи высоких частот на корпус, а на низких частотах его  реактивное сопротивление максимально, поэтому ток через него не проходит.  
      Из статьи «Делитель напряжения» мы используем те же формулы:

   или           

Принимая входное напряжение за 1 (единицу), а выходное напряжение за 0,7 (значение соответствующее срезу), зная, реактивное сопротивление конденсатора, которое равно:

      

Подставив значения напряжений, мы найдём Х_C и частоту среза.  
      Как и в случае с фильтром высоких частот, расчёты можно делать и в обратном порядке. С учётом того, что амплитуда выходного напряжения фильтра (как делителя напряжения) на частоте среза АЧХ должна быть равна 0,7 от входного напряжения, следует, что отношение сопротивления резистора R₂ (Х_C) к сопротивлению резистора R₁ соответствует: R₂ / R₁ = 0,7/0,3 = 2,33. Отсюда следует: С = 1 / (4.66 x R₁πf) , где f – частота среза АЧХ фильтра.

Г-образные частотные  фильтры на катушке индуктивности  и резисторе

 
      Фильтр высоких частот получается путём замены резистора R₂ делителя напряжения на катушку индуктивности L, обладающую своим реактивным сопротивлением X_L.

      

Принцип действия такого фильтра: индуктивность, обладая малым реактивным сопротивлением на низких частотах, шунтирует  их на корпус, а на высоких частотах её реактивное сопротивление максимально, поэтому ток через неё не проходит.  
      Используя те же формулы из статьи «Делитель напряжения» и принимая входное напряжение за 1 (единицу), а выходное напряжение за 0,7 (значение соответствующее срезу), зная, реактивное сопротивление катушки индуктивности, которое равно:

      

Подставив значения напряжений, мы найдём X_L и частоту среза.  
      Как и в случае с фильтром высоких частот, расчёты можно делать и в обратном порядке. С учётом того, что амплитуда выходного напряжения фильтра (как делителя напряжения) на частоте среза АЧХ должна быть равна 0,7 от входного напряжения, следует, что отношение сопротивления резистора R₂ (X_L) к сопротивлению резистора R₁ соответствует: R₂ / R₁ = 0,7/0,3 = 2,33. Отсюда следует: L = 1.16 R₁ / (πf).       

Фильтр низких частот получается путём замены резистора R₁ делителя напряжения на катушку индуктивности L, обладающую своим реактивным сопротивлением X_L.

      

Принцип действия такого фильтра: катушка индуктивности, обладая  малым реактивным сопротивлением на низких частотах, пропускает ток беспрепятственно, а на высоких частотах её реактивное сопротивление максимально, поэтому  ток через неё не проходит.  
      Используя те же формулы из статьи «Делитель напряжения» и принимая входное напряжение за 1 (единицу), а выходное напряжение за 0,7 (значение соответствующее срезу), зная, реактивное сопротивление катушки индуктивности, которое равно:

      

Подставив значения напряжений, мы найдём X_L и частоту среза.  
      Можно делать расчёты и в обратном порядке. С учётом того, что амплитуда выходного напряжения фильтра (как делителя напряжения) на частоте среза АЧХ должна быть равна 0,7 от входного напряжения, следует, что отношение сопротивления резистора R₂ к сопротивлению резистора R₁ (X_L) соответствует: R₂ / R₁ = 0,7/0,3 = 2,33. Отсюда следует: L = R₂ / (4,66 πf)

Г-образные частотные  фильтры на конденсаторе и дросселе

 
      Фильтр высоких частот получается из обыкновенного делителя напряжения путём замены не только резистора R₁ на конденсатор С, а так же резистора R₂ на дроссель L. Такой фильтр имеет более значительный срез частот (более крутой спад) АЧХ, чем указанные выше фильтры на RC или RL цепях.