CS257759B2 - Filtering element - Google Patents

Description

Vynález se týká filtračního členu, který obsahuje kondenzátor, jakož 1 indukční sériový člen zapojený mezi první vstupní bod a první výstupní bod a připojený к mezilehlému bodu ležícímu mezi druhým vstupním bodem a druhým výstupním bodem.

V teoretické a praktické elektronice jsou dobře známy filtrační členy, které jako obvodové jednotky jsou připojeny svými výstupními body к zátěži, a mezi těmito body obsahují prvek s určitou impedancí. Filtrační členy jsou používány všeobecně v teletechnických systémech, v telekomunikacích, v měřicích přístrojích a v regulátorech. Jednou z jejich variací je tak zvaný filtr T, u nětož jeden ze vstupních bodů tvořící vstup filtru a odpovídající výstupní bod jsou spojeny dvěma vinutími zapojenými v sérii a vyznačujícími se stejným směrem průtoku proudu, přičemž vinutí mohou též tvořit transformátor. Obě vinutí mají společný bod, který je přiveden к jednomu polepu kondenzátoru. Druhý polep kondenzátoru je připojen mezi druhý vstupní bod a druhý výstupní bod.

Filtr T je určen pro výběr určitých kmitočtových rozsahů. V určitých rozsazích vykazuje poměrně malé tlumení a na hranicích rozsahu je strmost tlumení pro každou impedanci jen 5 až 6 dB na dekádu. Tato hodnota je nepříznivá, poněvadž v tomto případě patří ke zvolenému kmitočtovému rozsahu široké přechodové pásmo, a proto se selekce neuskutečňuje vždy tak, jak by bylo žádoucí. Strmost může být zlepšena, když se filtry T zapojí v sérii, ale toto řešení má za následek podstatné zvětšení útlumu, a proto silné snížení výkonu propouštěného v určitém rozsahu. To znamená, že filtrační člen nepřevádí jen vybraný frekvenční rozsah, ale také poměrně široké přechodové pásmo. Hodnota selektivity zůstává také na nízké úrovni a charakteristika filtračního členu je závislá na zatížení. Je-li nutné odstranit závislost na zatížení, má být zapojení filtru T navrženo v závislosti na zatížení, a to může být velmi komplikované.

Pro odstranění nevýhod filtrů T tvořících jeden typ filtračních členů byly vypracovány krystalové filtry, jejichž použití je zdůvodněno pro jejich poměrně komplikovanou konstrukci a také pro touto skutečností způsobené vyšší náklady jen tehdy, když je nutno uskutečnit vysoké požadavky na strmost, propustnost a selektivitu. Při konstrukci krystalových filtrů způsobuje největší problém teplotní závislost parametrů křemenného krystalu a jiných obvodových prvků, která může být odstraněna jen ještě komplikovanější konstrukcí nebo použitím termostatů.

Účelem tohoto vynálezu je odstranit uvedené nevýhody a vytvoření obvodového prvku zhotovitelného jednoduše a s nízkými náklady, který se chová jako kmitavý obvod s vysokou selektivitou.

Základem předmětného vynálezu je po znatek, že vinutí použitá ve filtrech T se nemají sestavovat z částí vyznačujících se stejným směrem průtoku proudu, ale jak bylo s překvapením pozorováno, je mnohem účelnější vinutí zkonstruovat z proudových vedení, v nichž směry průtoku proudu v sousedních proudových vedeních jsou opačné. V tomto případě může být žádaný výsledek dosažen i použitím dvou přímých nebo zakřivených vedení, když probíhají vedle sebe a směry průtoku proudu v nich jsou opačné.

Uvedené nevýhody jsou odstraněny u filttračního členu podle vynálezu, jehož podstatou je, že indukční sériový člen je vytvořen z proudových vedení к sobě přizpůsobených, zapojených v sérii a charakterizovaných protisměrným průtokem proudu, a proudová vedení jsou připojena nejméně к jednomu kondenzátoru.

Filtrační člen podle vynálezu zajišťuje pří resonančníni kmitočtu podle výpočtů a měření velmi strmou charakteristiku s hodnotou 200 až 220 dB na oktávu, řádově vyšší, než jsou parametry tradičních filtrů T. Filtrační člen podle vynálezu je lehce zhotovltelný s minimálními náklady a má charakteristiku nezávislou na zatížení.

Teoretické zkoumání řešení podle vynálezu ukazuje, že navrženým způsobem vzniká obvodový prvek, který se chová jako ideální vinutí a u bodu resonance je prakticky bezztrátový. Ztráty filtračního členu podle vynálezu jako obvodového prvku jsou způsobovány jen existencí kondenzátoru.

Příklady provedení filtračního členu podle vynálezu jsou zobrazeny na výkresech, na nichž znázorňuje obr. 1 provedení s velmi úzkým pásmem útlumu, obr. 2 kmitočtovou charakteristiku filtračního členu podle obr. 1, obr. 3 provedení použitelné jako horní propust, obr. 4 kmitočtovou charakteristiku filtračního členu podle obr. 3, obr. 5 provedení použitelné jako horní propust, obr. 6 jiné provedení použitelné jako dolní propust, obr. 7 kmitočtovou charakteristiku uspořádání získaného paralelným zapojením filtračních členů p’odle obr. 5 a obr. 6, to jest tak zvaného „křížkového filtru“, obr. 8 provedení použitelné jako pásmová zádrž, obr. 9 kmitočtovou charakteristiku filtračního členu podle obr. 8, obr. 10 provedení použitelné jako dolní propust, obr. 11 kmitočtovou charakteristiku filtračního členu podle obr. 10, obr. 12 provedení použitelné jako pásmová propust, obr. 13 kmitočtovou charakteristiku filtračního členu podle obr. 12, obr. 14 provedení určené pro výběr úzkého kmitočtového pásma, obr. 15 kmitočtovou charakteristiku filtračního členu podle obr. 14 a obr. 16 provedení umožňující mnohostranné řízení.

Filtrační člen 20 podle vynálezu [obr. 1) je uspořádán mezi prvním vstupním bodem 1 a druhým vstupním bodem 2 na první straně a prvním výstupním bodem 3 a druhým výstupním bodem 4 na druhé straně. Ve filtračním členu 20 jo indukční sériový člen, který sestává z prvního a druhého proudového vedení 6, 7. Vstup indukčního sériového členu je připojen na první vstupní bod

1. Jeho výstup na první výstupní bod 3. Mezi prvním proudovým vedením 6 a druhým proudovým vedením 7 je společný bod 5, který má spojení s mezilehlým bodem mezi druhým vstupním bodem 2 a druhým výstupním bodem 4. Indukční sériový člen je vytvořen tak, že jeho výsledná impedance je velice blízká nulové hodnotě. Toho se dosáhne tak, že se použije sudý počet proudových vedení 6, 7, přičemž v proudových vedeních 6, 7 každé dvojice je hodnota intenzity proudu stejná, ale směr průtoku proudu je opačný. Proudová vedení 6, 7 jsou co nejvíce к sobě přizpůsobena, a proto je navrženo použití bifilárního vinutí. V různých aplikačních oblastech může dostačovat a být účelným, když proudová vedení B, 7 jsou vytvořena vedle sebe vedenými vodiči sestávajícími z přímých úseků a v případě potřeby ze zakřivených úseků.

Ve filtračním členu 20 je nutno zajistit kapacitu odpovídající filtračním úlohám. Kapacita může být podle vynálezu tvořena prvním kondenzátorem 8 (obr. lj, druhým a třetím kondenzátorem 9, 10 (obr. 3) nebo prvním, druhým a třetím kondenzátorem 8, 9, 10 (obr. 6). První kondenzátor 8 je svým prvním polepem připojen ke společnému bodu 5. Druhý kondenzátor 9 je umístěn před vstupem indukčního sériového členu, a to mezi ním a prvním vstupním bodem 1, třetí kondenzátor 10 mezí výstupem indukčního sériového členu a prvním výstupním bodem 3.

Sestává-11 kapacita jen z prvního kondenzátoru 8, chová se filtrační člen 20 podle vynálezu jako děrový zádržný filtr (to jest pásmová zádrž se zúženým potlačeným pásmem), který zajišťuje v závislosti na kmitočtu proudu vedeného prvním vstupním bodem 1 a druhým vstupním bodem 2 zesílení a podle obr. 2. Charakteristika dokazuje, že filtrační člen 20 zajišťuje prakticky v celém pásmu změny kmitočtu f totožně stejné zesílení a, chová se jako čistý ohmický odpor, ale v úzkém okolí určitého rezonančního kmitočtu fo se zesílení zmenšuje téměř ihned na prakticky nulovou hodnotu. Zmenšení velmi rychle zmizí, strmost činí 200 až 220 dB na oktávu, tedy je velká. V důsledku toho může být filtrační člen 20 vytvořený podle obr. 1 použit například к signalizaci dosažení určité charakteristické hodnoty. Rychlá změna zesilovacích poměrů zajišťuje spolehlivou indikaci. Hodnota prvního kondenzátoru 8 se volí účelně v rozsazích mezi pikofarady a mikrofarady. Menší hodnoty způsobují zmenšení hloubky a zvětšení strmosti ořezání kmitočtu a větší hodnoty naopak vedou к zvětšení hloubky a zmenšení strmosti ořezání kmitočtu. Když je indukční sériový Clen vytvořen jako vinutí, ovlivňuje počet závitů vinutí hořejší vztahy.

Sestává-li kapacita z druhého a třetího kondenzátoru 9, 10 (obr. 3), může být vytvořena vysokofrekvenční propust s charakteristikou podle obr. 4, která má tu zajímavou vlastnost, že vytváří ideální sinusovou vlnu, když se prvním a druhým vstupním bodem 1, 2 zavede signál podobný Dirakovu impulsu. Toto uspořádání propouští, jak je patrno z obr. 4, vyšší kmitočty s vyšším zesílením. Hloubka ořezání kmitočtu může být velmi lehce regulována, když jsou kapacitance druhého a třetího kondenzátoru 9,10 různé. S rozdílem hodnot kapacitancí dochází к většímu ořezání kmitočtů.

Při současném použití prvního, druhého a třetího kondenzátoru 8, 9, 10 pro vytvoření kapacity (obr. 6) zmenšuje se strmost ořezání kmitočtů.

Filtrační člen 20 podle vynálezu se blíže vysvětluje na příkladech provedení.

Příklad 1

Filtr označený jako křížový se vytvoří tak, že první filtrační člen 20 podle vynálezu je opatřen prvním, druhým a třetím kondenzátorem 8, 9, 10 (obr. 6) a je paralelně zapojen s druhým filtračním členem 20, který je proveden tak, že obsahuje jen první kondenzátor 8, přičemž je u něho v sérii mezi prvním vstupním bodem 1 a filtračním členem 20 zapojeno třetí vinutí 15 a čtvrté vinutí 16 mezi filtračním členem 20 a prvním výstupním bodem 3. Paralelním zapojením popsaných filtračních členů 20 vznikne filtr s charakteristikou znázorněnou na obr. 7, přičemž filtr podle obr. 5 zajišťuje charakteristiku vyznačenou plnou čárou a filtr podle obr. 6 zajišťuje charakteristiku vyznačovanou přerušovanou čárou. Ořezávání kmitočtů se děje křížovým kmitočtem f_z. .

Příklad 2

Filtr se opatří filtračním členem 20, který je spojen se dvěma paralelními členy. První paralelní člen obsahuje první vinutí 11 a jeden čtvrtý kondenzátor 13, zapojený paralelně s prvním vinutím 11 a připojený к prvnímu vstupnímu bodu 1, kdežto druhý paralelní člen obsahuje druhé vinutí 12 a paralelně s ním zapojený pátý kondenzátor 14 a je připojen к prvnímu výstupnímu bodu 3, jak znázorněno na obr. 8. Impedance prvního a druhého vinutí 11, 12, jakož i kapacitance čtvrtého a pátého kondenzátoru 13, 14 jsou s výhodou stejné, poněvadž v tomto případě se dosáhne souměrné filtrační charakteristiky podle obr. 9.

Příklad 3

Je-li filtr opatřen filtračním členem 20 obsahujícím druhý a třetí kondenzátor 9, 10, a je-li mezi filtračním členem 20 a prvním vstupním bodem 1, jakož 1 mezi ním a prvním výstupním bodem 3 uspořádáno v sérii třetí vinutí 15 a čtvrté vinutí 10, a jsou-li konce třetího a čtvrtého vinutí 15, 10 ležící blíže к filtračnímu členu 20 spolu spojeny (obr. 10), dosáhne se dolnofrekvenční propusti, jejíž charakteristika je patrná z obr. 11. Hloubka a strmost tohoto filtru nepropouštějícího vyšší kmitočty mohou být řízeny jednak poměrem impedancí třetího a čtvrtého vinutí 15, 18, jednak odpovídající volbou absolutní velikosti jejich impedancí. U znázorněného příkladu provedení filtračního členu 20 se osvědčilo zvolit druhý a třetí kondenzátor 9, 10 se stejnou kapacltancí a třetí a čtvrté vinutí 15, 16 se stejnou impedancí.

Příklad 4

Filtrační člen 20 byl vytvořen s prvním kondenzátorem 8. Mezi ním a prvním vstupním bodem 1 na první straně, jakož i mezi prvním výstupním obvodem 3 na druhé straně a jím mohou být v sérii zapojena na první straně třetí vinutí 15 a čtvrtý kondenzátor 13 a na druhé straně čtvrté vinutí 16 a pátý, kondenzátor 14 (obr. 12). U tohoto uspořádání mají být třetí a čtvrté vinutí 15, 10 spojena s filtračním členem 20. Tím vznikne pásmová propust, jejíž charakteristika je patrna na obr. 13. Šířka propouštěného pásma, hlooubka ořezání, jakož i strmost přechodu mohou být měněny odpovídající volbou hodnot použitých prvků.

Příklad 5

Filtrační člen 20 podle obr. 14 se vytvoří s druhým a třetím kondenzátorem 9, 10. Čtvrtý a pátý kondenzátor 13, 14, jakož i třetí a čtvrté vinutí 15, 16, se dají zařadit podle příkladu 4. Tak vznikne filtr, u něhož propouštěné pásmo může být zúženo až na bod. Charakteristika tohotoo „filtru výběru díry“ je patrna na obr. 15 a obsahuje charakteristický bod s rezonančním kmitočtem fo.

Příklad 6

Regulační možnosti filtračního členu 20 podle vynálezu vyplývají z použití regulačních prvků zabudovaných v. různých místech a z jejich spojení (obr. 16). Například použitím prvního regulovatelného odporu 18, spojujícího společný bod třetího vinutí 15 a čtvrtého kondenzátoru 13 a společný bod čtvrtého vinutí 10 a pátého kondenzátoru 14, přičemž tyto prvky jsou zapojeny podle příkladu 4 nebo 5, může být lehce změněna hloubka ořezání kmitočtů. Sled prvků u sériového zapojení určuje, zda filtr propouští vyšší nebo nižší kmitočty. Mezi prvním kondenzátorem 8 a výstupy filtračního členu 20 může být též zapojen druhý regulovatelný odpor 19, který je vhodný pro regulaci hloubky ořezání kmitočtů.

U mnoha použití je účelné vytvořit první a druhé proudové vedení 0, 7 indukčního sériového členu, jakož i dvojici tvořenou prvním a druhým a třetím a čtvrtým vinutím 11, 12, 15, 16 na odpovídajících železných jádrech 17. V tomto případě se zmenšuje strmost charakteristiky, ale filtr je vhodný pro vyšší výkony. Zajímavá možnost spočívá v tom, že v uspořádání charakterizovaných rezonančním kmitočtem (například obr. 1 a 14) působí na železné jádro 17, tak velké síly, že při dosažení rezonančního kmitočtu mohou vyvolat jeho pohyb. Proto je čtyřpól podle vynálezu vhodný i pro ovládání spínače, pro účinnou modifikaci mezní hodnoty a pro provádění určitých měřicích úloh.

Filtrační člen 20 podle vynálezu zajišťuje filtraci a indikaci určitých kmitočtových rozsahů, pásem a hodnot. Vykazuje vysokou selektlvnost a je s železným jádrem 17 schopný provádět spínací operace.

Claims (6)

1. PŘEDMĚT

   1. Filtrační člen, který obsahuje kondenzátor, jakož i indukční sériový člen zapojený mezi první vstupní bod a první výstupní bod a připojený к mezilehlému bodu ležícímu druhým vstupním bodem a druhým výstupním bodem, vyznačující sé tím, že indukční sériový člen je vytvořen z proudových vedení (6, 7) к sobě přizpůsobených, zapojených v sérii a charakterizovaných protisměrným průtokem proudu, a proudová vedení (6, 7) jsou připojena nejméně к jednomu kondenzátoru (8, 9, 10).
2. 2. Filtrační člen podle bodu 1, vyznačující se tím, že proudová vedení (6, 7) jsou tvořena bifilárním vinutím.
3. 3. Filtrační člen podle bodu 1, vyznačující se tím, že proudová vedení (6, 7) jsou vytvořena z těsně u sebe uspořádaných vodičů, které mají také rovné úseky.

   vynalezu
4. 4. Filtrační člen podle jednoho z bodů 1 až 3, vyznačující se tím, že proudová vedení (6, 7] jsou vytvořena na železném jádře.
5. 5. Filtrační člen podle jednoho z bodů 1 až 4, vyznačující se tím, že první polep prvního kondenzátoru (8) je spojen se společným bodem (5) proudových vedení (6, 7) a druhý polep je spojen s mezilehlým bodem mezi druhým vstupním bodem (2) a druhým výstupním bodem (4).
6. 6. Filtrační člen podle jednoho z bodů 1 až 4, vyznačující se tím, že mezi indukčním sériovým členem a prvním vstupním bodem je zapojen druhý kondenzátor (9) a mezi indukčním sériovým členem a prvním výstupním bodem (3) je zapojen třetí kondenzátor, přičemž druhý a třetí kondenzátor (9, 10) mají s výhodou stejnou kapacitu.