Мини-лекции. Фильтры

   Когда разговор касается каких-то фильтров, первое, что приходит на ум, — это для очистки воды! Сейчас торгаши и не только везде и всюду пытаются их нам втереть! Да, ещё у водил, что-то там фильтруется, не знаю, что? Что для нас такие фильтры? Правильно, собирают грязь или что-то ненужное... То, что можно увидеть и даже потрогать. А потом (в конце концов) то, что так усиленно нам фильтровало выкинуть и заменить на другое, чтобы у производителей безработицы не было, вот как-то так?!

   Но наш разговор будет о фильтрах, грязь которую они отфильтровывают нельзя потрогать и менять ничего не нужно. И работать они могут без замены тыщу лет! Это фильтры электромагнитных колебаний, переменных токов. Фильтры применяемые в электронике, радиотехнике... И к слову о мусоре, так сказать эфира, для тех кто ничего не соображает и даже не хочет соображать?! Мусор, грязь в эфире это не мусор во дворе который может лежать столетиями, нет. Стоит отключить источник мусора и всё, эфир чист!

   Если мысленно представить себе так называемую ось частот, то это отрезок прямой по традиции простирающийся от нуля, вправо и до бесконечности. То, что правее — ВЫШЕ, а левее стало быть — НИЖЕ. Отсюда и странные понятия как: высокие, низкие частоты...

   Итак, в общем виде фильтры делятся на: нижних частот рис1а; верхних частот рис1b; полосовые рис1с и заграждающие рис1d. В смысле их, фильтров частотные характеристики затухания. Если категорично подходить ко всему этому, то идеальная характеристика должна быть очень прямоугольной! Отрезали и всё! Умерла, так умерла! Провели линию на оси частот в какой-то точке, частоте среза Fc и всё! Если, что выше Fc отрезается, а ниже свободно пропускается, это фильтр нижних частот. Если наоборот от нуля и до Fc задерживается — фильтр верхних частот! Вот только такая красивая картинка в реальности не получается, хочь тресни?! И характеристика имеет вид далеко не такой, какой нам хочется?! Да, именно как те фрагменты загогулин и пространства зелёного цвета. О подробности на графиках... П-П — полоса пропускания; П-З — полоса задержания. Fc — частота среза, граница с которой фильтр начинает качать права... Fo — некая частота, как бы точка отсчёта (шибко в голову не берите!). На примерах сами всё поймёте.

   Полосовые фильтры соответственно должны пропускать только частоты от Fc1 и до Fc2. И чем загогулины более будут походить на вертикальные прямые, тем качественнее фильтр. Вообще-то в практике применяют графики наоборот, так называемые нормированные, так ещё показывающие эти пропускания-задерживания в цифрах, а не условно. По-русски, то, что на графике рис1a,b,c,d внизу, то там наверху, своего рода графические ворота (рис8)! И хотя я Вам представляю их как нормированные, на самом деле это не так. Это просто иллюстрация проблемы и не более. А, нормированные это те в которых максимальное значение принимают за единицу, а остальные естественно менее! И никаких-то там напряжений и токов?!

   Наверняка на практике первыми фильтрами были колебательные контура. Смотря как их использовали? Они либо не пропускали, либо наоборот выделяли нужное. Основой являлась личная резонансная частота, а далее как повезёт. В основном контура использовались для селекции, выделения нужных сигналов от не нужных. Или по-деревенски ловили станции, в смысле в радиоприёмниках. И в тоже время другие контура использовались чисто как фильтры. Вот на рис12b и рис12c они и есть. На рис12b так называемый фильтр-пробка. Он не пропускает узкую полосу частот. Центральная, так называемая промежуточная частота. В данном случае это 465 кГц. Сам фильтр от радиоприёмника «Беларусь-57». На рис12с фильтр-дырка от радиоприёмников 50-х, типа «АРЗ» и «Рекорд». Его задача, наоборот пропустить полосу но на «землю», то есть, промежуточную частоту с антенны закоротить и не пропустить дальше. Догадываюсь, что Вы прочтя всё это и почесав в задумчивости репу спросите про промежуточную частоту?! В радиоприёмниках супергетеродинах всё усиление и селекция ненужного осуществляется на промежуточной частоте. А она рождается в преобразователях путём смешивания сигнала с частотой отдельного генератора-гетеродина. В результате все сигналы приводятся к одной частоте (полосе частот) ПРОМЕЖУТОЧНОЙ. Кому шибко интересно, это здесь: http://www.proza.ru/2016/03/03/641

   В общем виде сигналы радиостанций (если нет возможности территориально разделить?) находятся рядом друг с другом. В смысле на оси частот. Как оказалось простыми контурами отделить их друг от друга очень проблематично. Но вопрос решился в супергетеродинных радиоприёмниках. В них отделение делали на промежуточных частотах: 465 или 110 кГц, но уже с помощью фильтров из контуров как на рис12. Это схема радиоприёмника «Рекорд». В принципе эта часть схемы делалась плюс-минус одинаково для большинства бытовых радиоприёмников. На схеме указаны промежуточные частоты как бы на все случаи жизни Fпр = 110/465 кГц.

   В зелёных прямоугольниках как раз и есть эти фильтры LC. Это два контура настроенные на близкие частоты. Контура связанные друг с другом индуктивными связями (трансформаторная связь). Существуют и с ёмкостными связями. Такими являются фильтры ФСС (Фильтры Сосредоточенной Селекции). Они показаны на схеме рис6. Это часть схемы моей радиостанции. В отличие от предыдущих фильтров здесь контура наоборот отделены экранами друг от друга и связь между ними только ёмкостная. Вживую фильтры LС c трансформаторной связью Вы видите на рис4 — радиоприёмник «Москвич-3» и на рис5 — «Рекорд-53». Как видите у «Мосвича» всё открыто, а у «Рекорда» уже в алюминиевом экране.

   Традиционно, как это работает? Как видно из рис4 две катушки двух контуров находятся на расстоянии друг от друга. Расстояние это не от балды а имеет на то своё обоснование! Оно определяет уровень связи между контурами. Посмотрите на рис8. Здесь три загогулины 1, 2, 3. Это графики реакции двух связанных индуктивной связью контуров. На левый контур рис12d поступает напряжение сигнала, имеющего в общем виде полосу частот. С выхода фильтра, правого контура напряжение поступает далее на УПЧ (Усилитель Промежуточной Частоты). Если измерить напряжение каждой частоты из спектра сигнала, а потом по результатам построить графики, то и получим эти загогулины. А разные они получились из-за разных уровней связи между катушками контуров. Где, рис8-1 слабая связь, расстояние большое. Рис8-2 оптимальная связь. И рис8-3 связь сильнее, более чем оптимальная.

При слабой связи характеристика похожа на характеристику одиночного контура и она нам не интересна. Оптимальная вроде бы хорошая (лучше не придумать?!), но нам она не совсем подходит?! Во-первых, она не далеко отошла от одноконтурной. Во-вторых, полоса пропускания нас не устраивает. В-третьих, крутизна, вид боковых ветвей далёк от идеала! И чтобы улучшить показатели применяют связь более сильную. Да, вместо одногорбной характеристики получилась двухгорбная, с большим провалом в середине. Но умные дядьки решили, что более жёсткое обрезание лучше и главнее (для фильтра) чем неравномерность характеристики в полосе пропускания.

   А так-как полосу пропускания считают ту, что отсекается на уровне 0,7 то неравномерности (горбы и впадины) до уровня 0,7 приемлимы! Ну, им видней... Ещё больше мороки с этими горбами на телевидении, так-как контуров там (в телевизорах и +++) больше, горбов больше... И всё потому, что полосы там огромные! Если в радиоприёмниках полоса занимаемая сигналом на диапазонах (ДВ, СВ, КВ) равна 10кГц, то на (УКВ-ЧМ, по импортному FM) 150 кГц. На телевидении в разных странах (стандартах), 5-14 мГц! У нас было 8мГц! Ну, дык?!

   Но все такие фильтры LC применялись раньше. А уже в 50-60-х начали применять фильтры на основе пьезокерамики и механические, точнее электромеханические фильтры, — ЭМФ. Как и в LC-фильтрах, так в других применяют РЕЗОНАТОРЫ, колебательные элементы. Каждый в какой-то степени сам является фильтром. Весь вопрос насколько он соответствует такой роли? Поэтому применяют от двух (как в случае с LC) и более. Вот только в роли резонаторов выступают: кварцевые пластины, пьезокерамические и просто пластины (диски) из металла. И если первые два варианта не требуют какой-то особой подготовки, то с металлами пришлось повозиться!

   Получается, что мы конструируем целую систему из резонаторов. Одна из таких показана на рис7. Это так называемая лестничная схема. Всю «лестницу» можно представить как состоящую из звеньев. Вот такие звенья Вы и видите на рис7, внизу. Если «лестницу» разрезать вертикальными линиями: 1-1; 2-2; 3-3 и 4-4, то и получим звенья заключённые между этими линиями. Это два в виде буквы Г и Г-оборотное, Т-образное и П-образное. Эта схема не единственная, неповторимая... Существуют и другие ещё более закрученные! Вот на рис8а показаны звенья из которых стряпают фильтры как кварцевые, так и пьезокерамические. Судя по публикациям пьезо на высоких частотах не тянут?.. Кварцы да, а эти нет! По крайней мере выше 500 кГц я не встречал?.. Ещё более тупые электромеханические. Тоже самое, только не выше 500 кГц. Представителя пьезокерамических фильтров Вы и видите на рис12f, ПФ1П1М. Он работает в качестве фильтра в обычных радиоприёмниках с промежуточной частотой 465 кГц.

   Электромеханические фильтры или ЭМФ Вы видите на рис2, 3, 9, 11. На рис2,3 реальные, дисковые (разной формы), а остальные в виде функциональных схем. На рис9,дискового, а на рис11 из прямоугольных пластин. Рассмотрим схему дискового ЭМФ. Где: 1 — магнитострикционный преобразователь; 2 — дисковые резонаторы; 3 — связки. Преобразователь нужен для преобразования электрических колебаний в механические и обратно. Принцип, основа это изменение геометрических размеров ферромагнитных материалов под воздействием магнитных полей, во как?! Далее по связкам колебания передаются на все диски-резонаторы. А, там как получится. На рис9 показаны два диска (как пример) и как они изгибаются при колебаниях. Слева на основной частоте, справа на второй гармонике. На рис11 ЭМФ с пластинами и теми же преобразователями, а колебания пластин здесь более завихрастые... В основном ЭМФ применяют в более серьёзной аппаратуре нежели бытовая. Так на моей радиостанции несколько таких ЭМФ-ов.

   Чем же они отличаются и почему их несколько? А потому-как я работаю в двух режимах SSB и CW, что это для коротковолновиков пояснять не нужно, а для остальных... SSB — связь на одной боковой полосе; CW — связь телеграфом. И у каждого вида свои особенности. А уж у служебных станций ещё больше этих особенностей... Посмотрите не рис12а. Это три как бы рисунка вместе и они не связаны друг с другом. Первый рисунок слева-направо, два прямоугольника синего и красного цвета. Посередине вертикальный отрезок. Отрезок прямой на которой они расположились, ось частот точнее участок с частотой 500 кГц и окрестностью. Если станция молчит, то на шкале мы увидим только вертикальный отрезок — несущую частоту. Как только включают микрофон и идёт звук, то справа (как Вы и видите) появляются боковые частоты, полосы частот. Нижняя (синий цвет) и верхняя (красный цвет). По стандарту они не должны превышать определённые границы! Прямоугольники условно и указывают их эти границы. Это работа обычной радиостанции в АМ-режиме. Примерно такой вид (но прямоугольники шире значительно) при ЧМ (FM) режиме работы. SSB-режим, это когда отсутствуют несущая частота и одна из боковых полос. Какая? Это в принципе не имеет значения, я работаю на любой.

   При передаче мне нужно из АМ сигнала: подавить несущую и отрезать одну боковую полосу. Вот тут-то, как оказалось и нужен этот чёртов ЭМФ! Он-то и отрежет ненужную. В принципе с небольшой натяжкой один и тот же ЭМФ может это сделать, отрезать любую боковую полосу, но нужно несущую передвигать в относительно упёртого ЭМФ! Его же не сдвинешь?! Этим извращением почти никто не занимается, а посему промышленность выпускает ЭМФ-ы как для отрезания верхней так и нижней полосы. Следует отметить, что цифра 500 (500 кГц) это несущая которую подавили в начале формирования SSB-сигнала. По большому счёту ЭМФ её не должен пропускать?! Он же и не обязан её пропускать, ну разве, что так самую малость! Для работы в телеграфном режиме нужен ЭМФ для которого несущая находится посередине его полосы пропускания, а сами полосы могут быть разной ширины. Вот только несущая и основная частота (как для передачи, и приёма) так и остаётся 500 кГц!!! На рис2,3 ЭМФ-ы именно для телеграфной работы, но с разной шириной полосы пропускания. На рис2 это 0,6 кГц (600 Гц.). На рис3 — 1,0 кГц. Буква [С] говорит о том, что частота 500 кГц находится посередине, С — СЕРЕДИНА! ЭМФ-ы для пропускания только боковых полос обозначаются буквами в соответствие с полосой пропускания, [В] — верхняя, [Н] — нижняя! Есть небольшая путаница. Разные конторы ставили буковки от балды, где придётся?! Ещё один параметр для боковых полос — ширина равная 3,1 кГц. Для АМ-радиовещания ширина каждой полосы 5кГц, общая сигнала 10 кГц. Для УКВ-ЧМ (FM), 75 кГц, общая стало быть 150 кГц! В SSB как и в телефонии довольствуются 3 кГц!!! И ЭМФ делают с полосой пропускания 3,1 кГц.

   Как бы там ни было, а на рис12а слева-направо: подавлена нижняя полоса (красный крестик); подавлена верхняя полоса и следующий вариант (телеграфный) выделяется полоса шириной 0,6 кГц (600 герц). Как видите несущая находится посередине полосы. Приходилось встречать и ЭМФ со средней полосой, но с разными полосами пропускания: 6кГц, 3,0 кГц, 1,0 кГц и 0,3 кГц. Вполне допускаю и другие цифорки?!!

   Для справки! На рис10 дисковый кристалл кварца. В центре кружочки ( и на оборотной стороне тоже) из серебра (металлизация) проводники для подачи переменного напряжения. Всё находится на полуовальном основании. На рис10а весь кварцевый резонатор в сборе. Корпус герметично спаивается с основанием. Примерно также изготовлялись кварцы в пластмассовом корпусе, Их ещё радиолюбители называли деревянными! Но более стабильными были (есть) кварцы в стеклянных колбах, разного исполнения с вакуумом внутри. Вот пожалуй и всё!