Filtres électriques — définition, classification, caractéristiques, principaux types

Les sources d'énergie industrielles fournissent des courbes de tension sinusoïdales… En même temps, dans un certain nombre de cas, les courants et tensions alternatifs, qui sont périodiques, diffèrent fortement des harmoniques.

Les filtres électriques peuvent être utilisés pour lisser les ondes de tension dans les redresseurs, les démodulateurs qui convertissent les oscillations haute fréquence modulées en amplitude en changements relativement lents de la tension du signal, et d'autres dispositifs similaires.

Dans le cas le plus simple, vous pouvez vous limiter à une connexion série avec la charge inducteurs, dont la résistance augmente avec l'augmentation du rang harmonique et est relativement faible pour les oscillations à basse fréquence et encore plus pour la composante constante. Il est plus efficace d'utiliser des filtres en forme de U, de T et de L.

Définitions de base et classification des filtres électriques

La sélectivité du filtre est sa capacité à sélectionner une certaine gamme de fréquences inhérentes au signal utile parmi tout le spectre de fréquences des courants entrant à son entrée.

Pour obtenir une bonne sélectivité, le filtre doit laisser passer les courants aux fréquences inhérentes au signal souhaité avec une atténuation minimale et avoir une atténuation maximale pour les courants à toutes les autres fréquences. Conformément à ce filtre, la définition suivante peut être donnée.

Un filtre électrique est appelé un dispositif à quatre pôles qui transmet des courants dans une certaine bande de fréquences avec peu d'atténuation (bande passante), et des courants avec des fréquences en dehors de cette bande - avec une atténuation élevée ou, comme on dit habituellement, ne passe pas (non- bande de transmission).

Selon la structure des circuits, les filtres sont divisés en filtres de chaîne (colonne) et de pont. Les filtres en chaîne sont des filtres fabriqués selon des circuits en pont en forme de T, P et L. Les filtres en pont sont des filtres réalisés sur un circuit en pont.

Selon la nature des éléments, les filtres sont divisés en :

• LC - dont les éléments sont l'inductance et la capacité ;

• RC — dont les éléments sont des résistances actives et des capacités ;

• résonateur — dont les éléments sont des résonateurs.

Selon la présence de sources d'énergie dans le circuit de filtrage, elles sont réparties en :

• passif - ne contenant pas de sources d'énergie dans le circuit ;

• actif - contenant des sources d'énergie dans le circuit sous la forme d'une lampe ou d'un amplificateur à cristal; parfois appelés filtres d'éléments actifs.

Pour une caractérisation complète des performances du filtre, il est nécessaire de connaître ses caractéristiques électriques, qui incluent les dépendances en fréquence de l'atténuation, du déphasage et de l'impédance caractéristique.

Le mieux est un filtre qui, avec un nombre minimum d'éléments, possède :

• la pente maximale de la caractéristique d'amortissement ;

• atténuation élevée dans la bande de non-émission ;

• atténuation minimale et constante dans la bande passante ;

• constance maximale de l'impédance caractéristique dans la bande passante ;

• réponse en phase linéaire ;

• la possibilité d'un réglage facile et en douceur de la bande de fréquence et de sa largeur ;

• constance des caractéristiques qui ne dépendent pas : des tensions (courants) agissant à l'entrée du filtre, de la température et de l'humidité de l'environnement, ainsi que de l'influence des perturbations électriques et magnétiques externes ;

• capacité à travailler dans différentes gammes de fréquences;

• la taille, le poids et le coût du filtre doivent être réduits au minimum.

Malheureusement, il n'existe pas un seul type élémentaire de filtre dont les caractéristiques répondent à toutes ces exigences. Par conséquent, en fonction des conditions spécifiques, de tels types de filtres sont utilisés, dont les caractéristiques répondent le mieux aux exigences techniques. Très souvent, il est nécessaire d'appliquer des filtres à des circuits complexes constitués de connexions élémentaires de divers types.

Les types de filtres les plus courants

En figue. 1 montre le schéma d'un simple filtre en L avec inductance L et condensateur C connectés entre le récepteur rpr et le redresseur V.

Les courants alternatifs à toutes les fréquences rencontrent une résistance d'inductance importante et un condensateur connecté en parallèle fait passer les courants haute fréquence résiduels le long de la branche parallèle. Cela réduit considérablement les ondulations de tension dans la charge. rNS.

Des filtres constitués de deux ou plusieurs liens similaires peuvent également être utilisés. Parfois, de simples filtres avec des résistances sont utilisés à la place des inductances.

Riz. 1.Le filtre électrique en forme de L lissant le plus simple

Plus avancés sont les filtres résonnants qu'ils utilisent phénomènes de résonance.

Lorsque l'inductance et le condensateur sont connectés en série, lorsque fwL = 1 / (kwV), le circuit aura la conductivité (active) la plus élevée à la fréquence fw et des conductivités assez élevées dans la bande de fréquence proche de la résonance. Ce circuit est un simple filtre passe-bande.

Lorsque l'inductance et le condensateur sont connectés en parallèle, un tel circuit aura la conductivité la plus faible à la fréquence de résonance et une conductivité relativement faible dans la bande de fréquence proche de la fréquence de résonance. Un tel filtre est un filtre bloquant pour une certaine bande de fréquence.

Pour améliorer les performances d'un simple filtre passe-bande, il est possible d'utiliser un schéma (Fig. 2) dans lequel une inductance et un condensateur sont connectés en parallèle l'un à l'autre en parallèle au récepteur. Un tel circuit est également accordé en résonance avec la fréquence des chèvres et présente une résistance très élevée pour les courants dans la bande de fréquence choisie et beaucoup moins de résistance pour les courants des autres fréquences.

Riz. 2. Schéma d'un filtre passe-bande simple

Un filtre similaire peut être utilisé dans des modulateurs qui produisent des oscillations modulées à une fréquence spécifique. Une tension de signal basse fréquence Uc est appliquée au modulateur M, qui est converti en oscillations haute fréquence modulées, et le filtre sépare la tension de la fréquence requise, qui est envoyée à la charge rNS.

Supposons, par exemple, qu'un courant alternatif non sinusoïdal circule dans le circuit et que de très grands courants de troisième et cinquième harmonique doivent être éliminés de la courbe de courant du récepteur.Ensuite, nous inclurons alternativement deux circuits accordés à la résonance pour les troisième et cinquième harmoniques du circuit (Fig. 3, a).

Une impédance de ligne gauche accordée à la résonance pour une fréquence de 3w sera très grande pour cette fréquence et petite pour toutes les autres harmoniques ; un rôle similaire est joué par le circuit droit réglé sur la résonance pour la fréquence 5w... Par conséquent, la courbe de courant du récepteur d'entrée ne contiendra presque pas les troisième et cinquième harmoniques (Fig.3, b), qui seront supprimées par le filtre.

Riz. 3. Schéma avec circuits résonnants connectés en série accordés à la résonance pour les troisième et cinquième harmoniques : a — schéma de circuit ; b — courbes de tension et d'entrée de circuit et de courant du récepteur

Riz. 4. Courbe de tension de sortie du filtre passe-bande

Dans certains cas, des filtres passe-bande plus sophistiqués sont utilisés, ainsi que des filtres de coupure qui laissent passer ou non les oscillations à partir d'une certaine fréquence. Ces filtres sont constitués de connexions en forme de T ou de U.

Le principe de fonctionnement des filtres est que dans la bande de fréquences des fréquences, par exemple un filtre passe-bande, la résonance se produit à n + 1 fréquences, où n est le nombre de connexions. Une courbe Uout = f (w) pour un tel filtre composé de trois connexions est représentée sur la Fig. 4. La résonance se produit aux fréquences w1, w2, w3 et w4.

Voir aussi sur ce sujet : Filtres de puissance etFiltres d'entrée et de sortie pour convertisseurs de fréquence