6-11. Согласование входа и выхода
Основная простейшая ячейка фильтра состоит из двух элементов: одной емкости и одной индуктивности (рис. 6-6 и 6-7).
Рис. 6-6. Элементарная ячейка фильтра высоких частот.
Если емкость включить последовательно, а индуктивность — параллельно, то это будет фильтр высоких частот (рис. 6-6). Чем выше частота колебаний, тем легче они пройдут через такой фильтр.
Когда же индуктивность включена последовательно, а емкость параллельно, то получится фильтр низких частот. Чем выше частота колебаний, тем сильнее их задерживает такой фильтр (рис. 6-7).
Действие сита мало зависит от того, из какого ящика в него сыплют зерно и в какой ящик затем это зерно собирают.
Рис. 6-7. Фильтр низких частот.
Рис. 6-8. Полосовой фильтр.
Рис. 6-9. Заграждающий (режекторный) фильтр.
Зерна более крупные, чем ячейки сита, ни при каких условиях сквозь сито не пройдут, а зерна более мелкие, нежели ячейки, через сито провалятся. Но для фильтра электрического очень существенны характеристики той линии, из которой в него поступают электрические колебания, а также той линии, в которую после фильтра колебания уходят. Колебания могут отражаться от мест соединения фильтра с линиями, и эти отражения сильно меняют работу фильтра.
Электрический фильтр действует иначе, чем сито. Электрический фильтр — это комбинация складов электромагнитной энергии. В простейшей ячейке таких складов два: конденсатор, где энергия запасается в виде электрических сил, и индуктивность, где энергия запасается в виде магнитных сил. При воздействии на фильтр электромагнитного колебания, электромагнитной волны ее энергия непрестанно перебрасывается из конденсатора в индуктивность и обратно. Одна и та же порция энергии создает в конденсаторе напряжение, скажем, Е вольт, а в индуктивности ток I ампер. Отношение этих вольт к амперам называют номинальным характеристическим сопротивлением фильтра. Если обозначить емкость С, а индуктивность L, то характеристическое сопротивление фильтра будет приближенно равно:
Фильтр хорошо действует, когда электрические сопротивления той линии, из которой к нему подводятся колебания, и той линии, по которой они уходят, в точности равны характеристическому сопротивлению ячейки фильтра. Тогда не будет отражений энергии на входе и выходе.
6-12. Резонансная частота и коэффициент фильтрации
Звено фильтра, состоящее из емкости и индуктивности, — это колебательная система. Подобной же колебательной системой является гиря, подвешенная на пружине, кузов автомобиля, качающийся на рессорах. Качели, гамак — все это колебательные системы, и все они могут применяться для фильтрации механических колебаний.
Когда колебательная система получает единичный, короткий толчок (для механической системы — механический толчок, для электрической системы — электрический толчок), то в этой системе некоторое время еще продолжаются, постепенно слабея, колебания. Это собственные колебания системы. Их частота — собственная или резонансная частота системы.
Чем дальше частота приложенных к фильтру колебаний от его собственной, резонансной частоты, тем выше может быть коэффициент фильтрации. Во многих случаях можно считать, что коэффициент фильтрации равен квадрату отношения резонансной частоты ячейки фильтра к частоте подведенного к нему тока.
При питании радиопередатчиков применяются фильтры низких частот, фильтры с большими конденсаторами (несколько десятков микрофарад) и большими индуктивностями (десятки генри); собственная резонансная частота звена получается несколько колебаний в секунду. Назначение этих фильтров — не допустить к передатчику гармоник токов звуковых частот 300 и выше герц. На одном звене коэффициент фильтрации равняется нескольким тысячам. Одного звена достаточно, чтобы при работе радиопередатчика не было слышно гудения и жужжания.
В легковых автомобилях ставят податливые рессоры, и собственный период колебаний кузова на рессорах получается большим. Коэффициент фильтрации толчков у такой машины велик. Чтобы его еще повысить, стремятся уменьшить массу неподрессоренной части автомобиля, массу его колес.
В грузовиках ставят жесткие рессоры. Частота собственных колебаний получается выше, фильтрация меньше. Кроме того, у грузовых машин больше масса неподрессоренных частей. Поэтому их и трясет больше.
При одной и той же упругости рессор чем тяжелее кузов, тем ниже частота его колебаний. Поэтому нагруженную машину меньше трясет, нежели пустую.
Чтобы уменьшить эту тряску, часто применяют ступенчатые рессоры — как говорят автомобилисты, прогрессивную подвеску. Сначала нагрузку на себя принимает гибкая податливая рессора. Она обеспечивает достаточно малую частоту собственных колебаний и при пустом кузове. А чтобы кузов сильно не осел, когда машину нагрузят, то имеется вторая, более жесткая рессора, на которую кузов опирается в груженом состоянии.
Такой фильтр с переменной упругостью или с переменной массой называется нелинейным фильтром.
В электротехнике часто применяются нелинейные фильтры. В схемы включается газовые, например неоновые лампы, которые не горят при низких напряжениях, когда же напряжение увеличивается выше установленного предела, они вспыхивают и меняют данные электрической цепи.
Есть предложения увеличивать массу кузова автомобиля, не увеличивая его веса. Это кажется невероятным, а между тем сделать это не так сложно. Надо поставить на кузов быстро вращающийся маховик — гироскоп. Быстро вращающееся тело энергично сопротивляется всякой попытке отклонить его ось вращения. Повышение скорости вращения аналогично повышению массы. На автомобиле с гироскопом можно было бы получить очень большую плавность хода, большой комфорт даже по неровной дороге.
