Электрический фильтр
6/10Электронный частотный фильтр состоит из четырёх элементов, соединённых, как на верхнем рисунке. Внутренним сопротивлением источника можно пренебречь, а сопротивление нагрузки можно считать бесконечным. Фильтр должен быть таким, чтобы отношение напряжений \(U_{out}/U_{in}\) зависело от частоты так, как показано на нижнем рисунке, где \(U_{in}\) — входное напряжение, а \(U_{out}\) — выходное напряжение. На частоте \(f_0\) сдвиг фаз между двумя напряжениями равен нулю.


Для постройки фильтра можно выбирать из следующих элементов:
2 резистора, \(10\) кОм;
2 конденсатора, \(10\) нФ;
2 катушки индуктивности, \(160\) мГн (без железного сердечника и с пренебрежимо малым сопротивлением).
Составьте из четырёх этих элементов фильтр, удовлетворяющий поставленным условиям. Определите частоту \(f_0\) и отношение \(U_{out}/U_{in}\) на этой частоте для как можно большего числа комбинаций элементов.
▶Показать разборСкрыть разбор
ПодсказкаПосмотрите, какие элементы должны стоять в схеме, чтобы на очень низких и очень высоких частотах выход совпадал со входом. Затем найдите частоту, на которой выходное напряжение совпадает по фазе с входным (метод комплексных амплитуд или векторная диаграмма).
ОтветНапример, мост из двух конденсаторов \(C\) в продольной ветви, резистора \(R\) параллельно им и резистора \(R\) в поперечной ветви: \(f_0 = \dfrac{1}{2\pi RC}\), \(U_{out}/U_{in} = 2/3\); то же при перестановке резисторов и конденсаторов; ещё две возможности — конденсаторы заменить катушками: \(f_0 = \dfrac{R}{2\pi L}\). Есть ещё восемь решений с несимметричным расположением элементов.
РешениеУсловия на очень высоких и очень низких частотах можно выполнить, например, следующей схемой:

С помощью либо графического векторного метода, либо аналитического метода \(j\omega\) можно показать, что минимум достигается на частоте \(f_0 = \dfrac{1}{2\pi RC}\), когда отношение выходного и входного напряжений равно \(2/3\). Перестановка резисторов и конденсаторов даёт новую схему с той же частотой \(f_0\). Ещё две возможности — заменить конденсаторы катушками, тогда получаем \(f_0 = \dfrac{R}{2\pi L}\). Есть ещё восемь решений с несимметричным расположением электронных элементов.
Похожие задачи
- Амплитуда на конденсаторе МОШ 1960/1986, 8-11 кл.
- Бесконечная LC-цепочка IPhO 1986/87, 11 кл.
- Мощность чёрного ящика ВсОШ 1992/2001, 11 кл.
- Паяльник, трансформатор и конденсатор МОШ 1994/95, 11 кл.
- Вольтметр, розетка и аккумулятор МОШ 1997/98, 11 кл.
- Исследование конденсатора ВсОШ 2005/06, 11 кл.