а используются одни и те же принципы, которые можно хорошо увидеть на простейших примерах.
Фильтры бывают параллельные и последовательные. Примеры последовательных фильтров — на Р-54;2,3. Пример простейшего параллельного RC-фильтра — на Р-54;4. Здесь происходит отделение переменного тока от постоянного: постоянный ток через С не пойдет, у него есть только один путь — через Rн. Так что одна задача — получение чистого переменного тока — в таком фильтре решается автоматически. Можно и постоянный ток выделить из его смеси с переменным. Для этого нужно, чтобы на данной частоте f (частота переменного тока) емкостное сопротивление хс конденсатора С было во много раз меньше, чем Rн (Р-54;5,6). Тогда переменный ток в основном пойдет по пути наименьшего сопротивления, то есть через Сф, а через Rн пойдет чистый (точнее, почти чистый) постоянный ток.
Чтобы получить нужное хс на данной частоте, достаточно подобрать емкость конденсатора с помощью простых расчетных формул (Р-52;4) и справочных таблиц С-7. Эти таблицы еще раз напоминают, что величину хс на равных определяют и емкость С, и частота f, поэтому для получения одного и того же хс на низких частотах емкость должна быть значительно больше, чем на высоких.
Другая группа фильтров — делители напряжения, отдельные участки которых имеют разное сопротивление на разных частотах. Поэтому разные (по частоте) токи создают на этих участках разные напряжения. Или иначе— фильтр-делитель в разной пропорции делит подведенные к нему напряжения разных частот.
Весьма распространенный фильтр с делителями показан на Р-54;7. Его задача — получить на сопротивлении нагрузки Rн по возможности чистое постоянное напряжение, в то время как на входе действуют два одинаковых напряжения — постоянное и переменное. Задача решается так. Сначала оба напряжения делятся делителем RгСф1 и передаются дальше, в сторону нагрузки с нижней части делителя, с Сф1. При этом, естественно, постоянное напряжение полностью остается на Сф1 (так как сопротивление конденсатора для постоянного тока бесконечно велико), а что касается переменного напряжения, то лишь небольшая часть его остается на малом емкостном сопротивлении этого конденсатора — его емкость именно так подбирается, чтобы хс было меньше, чем Rн.
Дальше еще один делитель RфСф2. На его нижнем участке переменное напряжение уже совсем мало — большая часть переменного напряжения достается сопротивлению фильтра Rф. На этом сопротивлении, правда, теряется и часть постоянного напряжения, но в данном случае подобные потери неизбежны.
Аналогичным образом создаются и RL-фильтры. В них катушка, в общем, делает то же дело, что и конденсатор (катушка по-разному ведет себя на разных частотах), ну а конкретно — все делает наоборот, в отличие от конденсатора, оказывает большее сопротивление тем токам, частота которых выше (Р-53, С-7).
Чтобы усилить эффект фильтрации, эффект разделения разночастотных переменных токов и напряжений, иногда в одном фильтре объединяют конденсатор с катушкой. Один из примеров такого фильтра — на Р-54;8. Его задача та же, что и в фильтре Р-54;7, но здесь вместо включена катушка Lф. Катушку, применяемую в фильтре, часто называют дросселем, что можно перевести на русский как «глушитель». В данной схеме дроссель глушит переменные токи, для них он представляет большое сопротивление xL. А постоянные токи дроссель, наоборот, пропускает беспрепятственно. Точнее, почти беспрепятственно: постоянный ток ощущает только активное сопротивление провода, из которого намотан дроссель. Так что фильтр Р-54;8 отличается тем, что он закрывает путь к нагрузке переменным токам, не причиняя вреда постоянному. Или скажем иначе: на практически не теряется часть постоянного напряжения, как она терялась на в фильтре Р-54;7. Несмотря на все это, значительно чаще применяют фильтры с резисторами. Потому что дроссель — деталь более сложная и более дорогая, чем резистор, и применение ее не всегда оправданно.
В радиоэлектронной аппаратуре очень часто можно встретить особый LC-фильтр, так называемый колебательный контур. Но прежде чем знакомиться с ним, нужно сказать несколько слов о том, как с помощью графиков описывают основные «черты характера» электрического фильтра.
Т-80. Частотная характеристика — график, рассказывающий о том, как ведет себя электрическая цепь на разных частотах. Представим себе, что в нашем распоряжении есть генератор переменной э.д.с., частоту которой можно плавно изменять поворотом ручки. Так же, например, как поворотом ручки мы меняем громкость звучания в приемнике. Такие генераторы реально существуют, и вскоре мы познакомимся с их практическими схемами. А пока представьте себе, что это обычный машинный генератор, в котором можно менять скорость вращения проводника, а значит, и частоту генерируемой э.д.с. При этом, правда, появляется серьезный недостаток: чем быстрее вращается проводник, тем больше частота переменной э.д.с., но одновременно увеличивается и сама э.д.с., так как проводник быстрее пересекает магнитное поле. Предположим, что этот недостаток устранен — в генератор ввели автомат, который будет поддерживать выходное напряжение на одном уровне, например включая в цепь дополнительные сопротивления.
Но не стоит, однако, вдаваться в подробности, они сейчас несущественны. Считаем, что у нас есть генератор (Р-55;1), который дает синусоидальное напряжение любой нужной частоты, и на всех частотах сама величина напряжения (число вольт) одинакова.
Р-55
Если подключить к нашему генератору делитель из резисторов (Р-55;2), то на любом из них напряжение не будет меняться с частотой: на всех частотах резисторы имеют одно и то же сопротивление и делят общее напряжение в одной и той же пропорции.
А вот в делителях, куда входят реактивные элементы — конденсаторы и катушка, — все по-другому. Об этом как раз и рассказывают графики Р-55;3,4. Графики эти называются частотными характеристиками, они показывают, как с изменением частоты меняется напряжение на выходе фильтра при неизменном напряжении на его входе. В справедливости приведенных частотных характеристик легко убедиться, если взглянуть на схемы фильтров, к которым эти характеристики относятся. Так, например, в простейшем RС-фильтре с частотой уменьшается напряжение на конденсаторе С, потому что уменьшается его емкостное сопротивление. И если нужно «задавить» высшие частоты или, иначе, поднять низшие, напряжение следует снимать именно с конденсатора. А на резисторе R с увеличением частоты напряжение, наоборот, растет. Общее напряжение делится на UR и Uс, чем меньше одно из них, тем больше другое. И если нужно выделить более высокочастотные напряжения, если нужно поднять высшие частоты над другими, напряжение нужно снимать именно с резистора.
Т-81. Коэффициент передачи показывает, во сколько раз напряжение или ток на выходе больше или меньше, чем на входе. Все графики на Р-55 могут быть построены для конкретных величин напряжений и токов. Не вдаваясь в устройство какого-либо фильтра, нарисуем его в виде прямоугольничка (Р-55;5) и для определенности будем считать, что при входном напряжении Uг =10 В выходные напряжения на частотах 3 кГц и 5 кГц соответственно равны 2 В и 8 В. А что будет, если входное напряжение увеличится вдвое и составит 20 В? Тогда и выходные напряжения тоже увеличатся в два раза и составят соответственно 4 В и 16 В (Р-55;6). Без долгих рассуждений можно сказать, что любое увеличение или уменьшение входного напряжения повлечет за собой такое же (во столько же раз) увеличение или уменьшение выходных напряжений. И для данного конкретного фильтра на данных частотах соотношение между входным напряжением и выходными есть величина постоянная.
Р-56
Но стоит ли в таком случае характеризовать действие фильтра численными значениями напряжений и токов, вольтами и амперами? Не лучше ли ввести общую характеристику фильтра, которая показывала бы, на каких частотах во сколько раз ослабляется переменное напряжение или переменный ток? Тогда, зная эту характеристику, можно всегда подсчитать, какое напряжение будет на выходе фильтра при данном напряжении на его входе, еще раз, кстати, подтвердив полезность общих представлений (Т-5). Такая характеристика существует, она называется коэффициентом передачи фильтра и обозначается чаще всего буквой К (Р-55;5,6). На каждой частоте у фильтра свой коэффициент передачи К, в этом, собственно, и состоит особенность фильтрующих цепей. Зависимость коэффициента передачи К от частоты есть одна из разновидностей частотной характеристики.
Т-82. Децибел — универсальная единица, показывающая, во сколько раз одна величина больше или меньше другой. В каких единицах нужно измерять коэффициент передачи? Вполне подошла бы для этого единица «раз» или хорошо известные проценты. Ведь мы так и говорим: «На частоте 3 кГц напряжение ослабляется в пять раз… на частоте 5 кГц — в 1,25 раза…» Однако чаще используется не «раз», а другая единица — децибел, сокращенно дБ. Она названа так по имени изобретателя телефона Александра Белла. Децибел — единица универсальная, она применяется для того, чтобы показать отношение любых двух величин — напряжений, токов, давлений, мощностей, скоростей и других. Переход от характеристики «во столько-то раз» к децибелам и обратно проще всего произвести с помощью справочной таблицы С-9.
Если коэффициент передачи меньше единицы, то есть если фильтр или другой элемент цепи уменьшает напряжение (ток), то децибелы получаются отрицательные. А если коэффициент передачи больше единицы, то есть если выходное напряжение (ток) больше входного (так тоже бывает, и вы очень скоро в этом убедитесь), то децибелы — положительные.