Методические указания к выполнению лабораторных работ по теоретической электротехнике

Лабораторные по электротехнике
ИССЛЕДОВАНИЕ НЕЛИНЕЙНЫХ ЦЕПЕЙ
ИССЛЕДОВАНИЕ КАТУШКИ
ИССЛЕДОВАНИЕ УТРОИТЕЛЯ ЧАСТОТЫ
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ
ИССЛЕДОВАНИЕ ЧЕТЫРЕХПОЛЮСНИКА
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ФИЛЬТРОВ
ЧАСТИЧНЫЕ ЕМКОСТИ В СИСТЕМЕ ПРОВОДНИКОВ
Доказать закон Ома с помощью эксперимента
 

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?

Решение задач по электротехнике