Лабораторные работы по электронике Лабораторные работы по электротехнике Расчет цепи смешанного соединения сопротивления расчет трехфазной цепи по схеме звезда по схеме треугольника Исследование резонансных явлений

Лабораторная работа 20

Исследование электрических фильтров

Цель работы - изучение основных свойств и частотных характеристик фильтров низких и высоких частот.

1. Пояснения к работе

Любой фильтр характеризуется следующими параметрами: характеристическим сопротивлением ZC и постоянной передачи Г=а+jb (а - коэффициент затухания фильтра, b - коэффициент фазы фильтра).

Коэффициенты  а и b определяются параметрами фильтра и не зависят от величины сопротивления нагрузки, но экспериментально они могут быть определены только при согласованной нагрузке, т.е. когда сопротивление нагрузки Z2 равно характеристическому сопротивлению фильтра ZC.

При согласованной нагрузке фильтра

 e Г = е а × е j b , (20.1)

поэтому, зная комплексы напряжений или токов, легко определить коэффициенты а и b.

Из выражений (20.1) следует, что

 а =ln  , b=y1 - y2 . (20.2)

Коэффициент а измеряется в неперах (Hn) (а=ln,Нп) или децибелах (дб) (а=20lg,дб), а коэффициент b измеряется в градусах или радианах. Угол b считается положительным, если напряжение на входе фильтра U1 опережает напряжение на выходе U2 , в противном случае угол b считается отрицательным.

Определение фильтрующих свойств тех или иных фильтров (четырехполюсников) сводится к исследованию зависимости их коэффициентов а, b и характеристического сопротивления Z С от частоты w.

Для низкочастотного (НЧ) П-образного фильтра (рис.20.1) примерный вид этих зависимостей приведен на рис. 20.2. Угловая частота w0 = 2/ носит название резонансной угловой частоты среза; она является границей между зонами затухания и пропускания (прозрачности).

Для высокочастотного (ВЧ) Т-образного фильтра ( w0 = 1/(2) (рис.20.3) зависимости а = F1 ( ), b=F2 (), ZC= F3 () приведены на рис. 20.4,а,б.

Так как при практическом использовании фильтра невозможно осуществить его согласование с нагрузкой во всем диапазоне частот, то при несогласованных режимах по кривым  а() и b() уже нельзя судить о величине и фазе напряжения U2 при некотором заданном напряжении U1. Для оценки затухания фильтра в таких рабочих условиях, кроме собственного затухания, вводят еще понятие затухания вследствие несогласованности (вносимое затухание четырехполюсника), которое включает в себя собственное затухание а. Но чаще всего для оценки фильтров в рабочих условиях используют амплитудно-фазовые характеристики, которые представляют собой отношения  U2 / U1 или I2 / I1 в функции частоты. Модули этих отношений являются амплитудно-частотными характеристиками, а их аргументы - фазо-частотными характеристиками.

В работе производится качественное исследование низкочастотного и высокочастотного фильтров по схеме рис. 20.5. Дроссель Др в схеме является генератором высших нечетных гармоник тока. При насыщенном дросселе напряжение на активном сопротивлении R  (реостат) содержит ярко выраженные первую и третью гармоники. Сопротивление rH (магазин сопротивлений) является нагрузочным сопротивлением фильтра. С помощью электронного осциллографа исследуется форма кривых напряжения на входных и выходных зажимах фильтра.


2. Порядок выполнения работы

 

Произвести качественное исследование электрических фильтров, для чего:

2.1. Собрать схему рис.20.5 с низкочастотным П-образным фильтром. По параметрам фильтра, указанным на стенде, определить частоту среза


 f0 =  

и характеристическое сопротивление при частоте f=50 Гц

 ZCП = x = .

2.2. Установить с помощью магазина сопротивление нагрузки rH , равное Z C . Снять с экрана осциллографа кривые напряжений на входных и выходных зажимах фильтра и объяснить их форму.

2.3. Заменить в схеме рис. 20.5 низкочастотный фильтр высокочастотным Т-образным фильтром и по его параметрам, указанным на щитке, определить f0 и ZC при частоте f = 150 Гц.

 f0 =  , 

 ZCТ = .

2.4. Сопротивление rH установить равным Z C , и снять с экрана осциллографа кривые напряжений на входе и выходе фильтра. Объяснить форму напряжений.

Указание: на каждой из осциллограмм должны быть приведены масштабы по напряжению mu и по времени mt, определяемые положением переключателей осциллографа.

2.5. По осциллограмме входного напряжения низкочастотного фильтра рассчитать амплитуду его первой гармоники и сравнить ее с амплитудой выходного напряжения НЧ-фильтра.

2.6. По осциллограмме входного напряжения высокочастотного фильтра рассчитать амплитуду его третьей гармоники и сравнить ее с амплитудой выходного напряжения ВЧ-фильтра.

2.7.Привести в отчете качественно построенные зависимости а(x),  b(x),

ZC (x) для НЧ- и ВЧ-фильтров.

Вопросы для самопроверки

Какие четырехполюсники называются фильтрами типа К ?

Какими параметрами характеризуется четырехполюсник именно как фильтр?

Какой интервал частот называется полосой пропускания фильтра?

3.4. Почему на практике нельзя осуществить согласование фильтра с нагрузкой во всем диапазоне частот?

3.5. Как с помощью векторной диаграммы для исследуемого фильтра можно определить знак угла b?

В данной работе исследуется однофазный двухобмоточный трансформатор, предназначенный для амплитудного изменения синусоидального напряжения. Исследуемый трансформатор состоит из сердечника, собранного из листов электротехнической стали, на котором размещены две обмотки: первичная, к которой подводится электрическая энергия, вторичная к которой присоединяется нагрузка. Обмотки электрически изолированы от сердечника и друг от друга.
Лабораторные работы по электронике и электротехнике