Институт энергетики Высшая школа электроэнергетических систем
Наименование дисциплины: «Промышленная электроника»
Лабораторная работа 2.
Исследование LC-фильтров
Преподаватель:
Доц. ВШЭС, к.т.н. Мурашов Ю.В.
____________________
Краткие теоретические сведения
Фильтры более высокого качества реализуются на основе катушек индуктивности и конденсаторов. В LC-фильтр могут входить также и резисторы. Связь входной и выходной цепей большинства LC-фильтров соответственно с источником сигнала и с нагрузкой производится таким образом, чтобы значения их реактивных или полных сопротивлений были равны.
На рисунке 1 приведена схема и АЧХ типового Г-образного LC-фильтра нижних частот.
Расчет такого фильтра производится по следующей формуле:
fc |
|
|
1 |
|
(1) |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|||
|
LC |
|||||
|
|
|
|
|
||
U |
1 |
|
L
C
A 
0 дБ
3дБ
U |
2 |
|
f |
c |
f |
|
|
Рисунок 1. Схема и АЧХ Г-образного низкочастотного фильтра
Все LC-фильтры обладают тем преимуществом, что на переменном токе конденсаторы и катушки индуктивности работают взаимообратно, т.е. при увеличении частоты сигнала индуктивное сопротивление возрастает, а емкостное падает. Таким образом, в LC-фильтре нижних частот реактивное сопротивление параллельного элемента при увеличении частоты сигнала уменьшается, и этот элемент шунтирует высокочастотные сигналы. На низких частотах реактивное сопротивление параллельного элемента достаточно высокое. Последовательный элемент обеспечивает прохождение низкочастотных сигналов, а для сигналов высоких частот его реактивное сопротивление велико.
На рисунке 2 приведена схема и АЧХ типового Г-образного LС-фильтра верхних частот.
U |
1 |
|
C
L
A 
0 дБ
3дБ U2
fc |
f |
Рисунок 2. Схема и АЧХ высокочастотного Г-образного LC-фильтра
2
Расчет Г-образного LС-фильтра верхних частот производится по следующей формуле:
f |
|
|
1 |
c |
|
||
|
4 |
LC |
|
|
|
(2)
В этом фильтре при увеличении частоты сопротивление последовательного элемента уменьшается. Он пропускает высокочастотные сигналы, а для сигналов низких частот его реактивное сопротивление велико. Параллельный элемент оказывает шунтирующее влияние на сигналы низких частот, а для высокочастотных сигналов его реактивное сопротивление велико.
Порядок выполнения лабораторной работы
Лабораторная работа по исследованию LC-фильтров выполняется в программном обеспечении MATLAB/Simulink и включает в себя изучение фильтров нижних и верхних частот в соответствии с описанием представленным выше. Реализация соответствующих моделей фильтров представлена на рисунке 3 для ФНЧ и на рисунке 4 для ФВЧ.
Рисунок 3. Реализация LC-фильтра нижних частот в MATLAB/Simulink
Рисунок 4. Реализация LC-фильтра верхних частот в MATLAB/Simulink
3
Номинальные параметры пассивных элементов L1 и C1 выставляются в соответствии с индивидуальным заданием студента (см. таблица 1).
Таблица 1. Номинальные параметры
№ |
L1, мГн |
C1, мкФ |
|
|
|
1 |
1.0 |
0.1 |
|
|
|
2 |
1.2 |
0.15 |
|
|
|
3 |
2.2 |
0.22 |
|
|
|
4 |
3.3 |
0.33 |
|
|
|
5 |
3.6 |
0.47 |
|
|
|
6 |
4.7 |
0.68 |
|
|
|
7 |
5.0 |
1.0 |
|
|
|
8 |
6.2 |
1.5 |
|
|
|
9 |
7.2 |
2.2 |
|
|
|
10 |
8.2 |
3.3 |
|
|
|
11 |
9.2 |
4.7 |
|
|
|
12 |
10.0 |
6.8 |
|
|
|
13 |
1.0 |
10 |
|
|
|
14 |
1.2 |
0.1 |
|
|
|
15 |
2.2 |
0.15 |
|
|
|
16 |
3.3 |
0.22 |
|
|
|
17 |
3.6 |
0.33 |
|
|
|
18 |
4.7 |
0.47 |
|
|
|
19 |
5.0 |
0.68 |
|
|
|
20 |
6.2 |
1.0 |
|
|
|
21 |
7.2 |
1.5 |
|
|
|
22 |
8.2 |
2.2 |
|
|
|
23 |
9.2 |
3.3 |
|
|
|
24 |
10.0 |
4.7 |
|
|
|
25 |
1.0 |
6.8 |
|
|
|
В соответствии с номинальными параметрами, представленными в таблице выше, необходимо определить расчетное значение частоты среза (по формулам 1, 2).
При выполнении лабораторной работы необходимо снять АЧХ фильтров при верхнем положении переключателя S1 и изменении положения рукоятки потенциометра
4
(см. рисунки 3, 4). Данные измерений амплитуд сигналов на входе и выходе фильтров занести в таблицу. По результатам измерений построить АЧХ фильтров.
Таблица 2. Данные измерений
№ |
Uампл. вх, В |
Uампл. вых, В |
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
… |
|
|
|
|
|
После снятия АЧХ фильтра необходимо перевести переключатель S1 в нижнее положение и следуя рекомендациям преподавателя выполнить FFT анализ входного и выходного сигналов.
Отчет по лабораторной работе выполняется индивидуально и должен
содержать:
1.принципиальные электрические схемы исследуемых фильтров;
2.примеры расчета частоты среза;
3.таблицы с результатами лабораторного исследования;
4.примеры осциллограмм входного и выходного сигналов при снятии АЧХ;
5.АЧХ фильтров с демонстрацией расчетных и практических значений частоты среза;
6.результаты FFT анализа;
7.выводы по выполненной работе.
5