Задачи › Переменный ток, импеданс, векторные диаграммы

Электрический фильтр

  1. Электрический фильтр

    IPhO 1983/84, 11 кл.
    6/10

    Электронный 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.

    Рисунок
    Рисунок

    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
    Подсказка

    Посмотрите, 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).

    Ответ

    Например, 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.

    Решение

    Условия на очень высоких и очень низких частотах можно выполнить, например, следующей схемой:

    Рисунок

    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.

    Вся олимпиада на сайте

    Страница задачиОшибка в задаче?

Похожие задачи