Главная Случайная страница


Категории:

ДомЗдоровьеЗоологияИнформатикаИскусствоИскусствоКомпьютерыКулинарияМаркетингМатематикаМедицинаМенеджментОбразованиеПедагогикаПитомцыПрограммированиеПроизводствоПромышленностьПсихологияРазноеРелигияСоциологияСпортСтатистикаТранспортФизикаФилософияФинансыХимияХоббиЭкологияЭкономикаЭлектроника






Дискретные пьезокерамические фильтры

Фильтры с частотами 400 – 500кГц, оказались как нельзя более подходящими для пьезокерамических фильтров. Именно такие частоты способствовали созданию дешёвых, технологичных фильтров, и их размеры оказались в десятки раз меньше, чем у фильтров сосредоточенной селекции на катушках и конденсаторах. Пьезокерамические резонаторы, из которых строится фильтр, обычно выполняют в форме диска диаметром 5 – 6 мм или квадрата со стороной около 5мм. Характеристики фильтра всецело зависят от параметров и количества резонаторов их составляющих.

Далее попытаемся дать представление о том, как работает дискретный полосовой пьезокерамический фильтр и о том, как конструктивно устроены фильтры, выпускаемые в промышленных масштабах. При этом несколько пожертвуем научной строгостью, опустив подробности, которые не столь существенны для первого знакомства. Для начала разберёмся с резонаторами, элементарными кирпичиками фильтров.

Пьезокерамические резонаторы

Чем отличается пьезорезонатор от пьезоэлемента? Пьезорезонатор это «улучшенный» пьезоэлемент, если его рассматривать с позиции применения, то есть как колебательный элемент. Резонансная частота резонатора, для выбранного типа колебаний, должна возможно дальше отстоять от частот других типов колебаний. Это достигается конструктивно, путём выбора частотоопределяющего размера, по возможности, значительно больше или меньше других. Резонатор должен обладать достаточно высоким значением механической добротности и высокой стабильностью частоты во времени и в интервале рабочих температур. Это достигается путём выбора подходящей марки пьезокерамического материала. В фильтрах, являющихся предметом нашего рассмотрения, используются дисковые резонаторы, где в качестве основного типа колебаний используются радиальные колебания. Частота радиальных колебаний зависит от радиуса и не зависит от толщины. При таких колебаниях центр диска остаётся неподвижным, и это позволяет, не возмущая процесс колебаний, осуществить электрический и механический контакт в этой неподвижной точке.

Теперь посмотрим на поведение пьезокерамического резонатора. От чего зависит его резонансная частота? Во-первых, от диаметра. Чем больше диаметр, тем ниже частота. Произведение диаметра на частоту – величина постоянная. Она называется частотной постоянной. При заданной длине диаметра резонансная частота определяется всего двумя характеристиками материала из которого он изготовлен. Это плотность и упругость. Как возбудить радиальные колебания диска? Очень просто. Надо приложить переменное усилие по толщине диска. Деформируя диск по толщине, мы вызываем ответную деформацию в перпендикулярном направлении. Это происходит потому, что любое твёрдое тело стремится сохранить свой объём. Разным телам это удаётся по-разному, но в среднем деформация в поперечном направлении составляет 1/3 от деформации в направлении приложенной силы. Так как материал резонатора является пьезоэлектриком, то вынуждающую силу можно создать за счёт пьезоэффекта. Таким образом, приложив переменное напряжение вдоль толщины, можно возбудить радиальные колебания, в том числе, на резонансной частоте.

Далее попытаемся удивить читателя следующим экспериментом. Будем возбуждать в резонаторе свободные затухающие колебания, действуя одиночными импульсами достаточно высокого напряжения длительностью, примерно, полпериода резонансной частоты радиальных колебаний. На рис. 1а такой импульс подаём путём размыкания и замыкания ключа, а на рис.1б, наоборот, путём замыкания и, через полпериода, размыкания ключа.

Рис.1. Возбуждение пьезокерамического резонатора путём кратковременного размыкания ключа (а) и кратковременного замыкания ключа (б).

Такое ударное воздействие возбуждает в резонаторе свободные колебания, частоту которых, без особых технических проблем, можно измерить. Оказывется, частоты свободных колебаний разные! Отличие достигает 20%. Всё дело в условиях, в которых наблюдаем колебательный процесс. В первом случае наблюдаем колебания резонатора с закороченными электродами, а во втором – с разомкнутыми. В первом случае потенциал электродов равен 0 (в общем случае – постоянный), тогда как во втором случае, вследствие пьезоэффекта, переменный. Знак изменяющегося напряжения между электродами всегда таков, что оно всегда, как и сила упругости, старается вернуть колеблющийся элемент к положению равновесия. То есть, возникающее вследствие пьезоэффекта напряжение «помогает» силе упругости. Сила упругости или, иными словами, жёсткость становится больше, а значит частота выше. Чем эффективнее пьезоэлектрик, тем больше «пьезодовесок» к силе упругости.

Рассмотрим поведение резонатора под действием вынуждающей силы синусоидальной формы. Соберём схему согласно рис.2 и будем наблюдать осциллограммы напряжений на резонаторе.

Рис.2. Схема возбуждения резонатора напряжением синусоидальной формы.

Резонатор в этой схеме не совсем обычен. На одном из его электродов «выцарапан» маленький контрольный электрод. Он нам нужен для того, чтобы следить за фактическим состоянием механического колебательного цикла. Ведь напряжение на контрольном электроде, который изолирован от основного, в точности воспроизводит деформацию резонатора. Напряжения с основного и контрольного электрода подадим на входы двухлучевого осциллографа. Настроив генератор на ту частоту, которую мы измерили в предыдущем опыте по рис.1а, заметим, что напряжение на резонаторе уменьшилось в десятки раз, а фазовый сдвиг между напряжениями на основном и контрольном электродах составил почти 180о (смотреть осциллограмму на рис.3 слева). Это означает следующее.

Рис.3. Осциллограммы напряжений на основном (вверху) иконтрольном (внизу) электродах

Изменение заряда на основном электроде при механическом колебательном движении постоянно компенсируется притоком или оттоком зарядов от генератора. В результате потенциал остаётся, практически, постоянен и, тем самым, реализуется тот же режим, как с закороченными электродами, что на рис.1а. На контрольном же электроде такой компенсации не происходит и напряжение на нём остаётся близким к напряжению генератора. По существу мы убедились в том, что на данной частоте резонатор резко уменьшил своё сопротивление, а напряжение генератора перераспределилось на добавочный резистор R. Тот факт, что нам всё-таки удалось наблюдать осциллограмму, разумеется, при увеличенной чувствительности, свидетельствует о том, что резонатор обладает небольшим эквивалентным сопротивлением, связанным с тепловыми потерями в материале резонатора вследствие внутреннего трения.

На правом фотоснимке, на рис.3, представлена осциллограмма, когда, увеличивая частоту генератора, достигли максимального напряжения на основном электроде. Видим, что при этом фазовый сдвиг с напряжением на контрольном электроде стал близким к нулю. Вспомним, что контрольный электрод у нас изолирован, как и на рис.1б. Следовательно, также и основной электрод ведёт себя как изолированный. Генератор пытается дать заряды или снять заряды с резонатора, а резонатор их либо не берёт, либо не возвращает, либо «догоняет», либо «убегает». Он «выбрал» на этой частоте такую фазу механических колебаний, будто его электроды изолированы от внешнего мира, как контрольный электрод, как электроды на рис.1б. На этой частоте ток минимален, сопротивление велико. Некоторая проводимость резонатора опять же связана с тепловыми потерями в его теле. Потребляемая мощность идёт только на компенсацию этих потерь, она поддерживает незатухающие колебания. Разница в частотах также видна на осциллограммах.

Характерные частоты для двух рассмотренных картин, по принятой терминологии, называются резонансной fри антирезонансной fа частотой. Разность этих частот называют резонансным промежутком Δf. На частотах ниже резонансной и выше антирезонансной резонатор проявляет себя как конденсатор, ёмкость которого, главным образом, определяется площадью электродного покрытия и толщиной керамического диэлектрика, который имеет диэлектрическую проницаемость порядка 1000.

Каков порядок величин ёмкостного и эквивалентных активных сопротивлений резонаторов, применяемых в пьезокерамических фильтрах? Ёмкостное сопротивление имеет порядок 2-3 кОм. На резонансной частоте эквивалентное сопротивление имеет активный характер и порядок величины, в среднем, 50-100 Ом. На антирезонансной частоте его сопротивление также активно и имеет порядок сотен килоом. Величина ёмкостного сопротивления обычно равна среднему геометрическому сопротивлений на резонансе и антирезонансе. То есть, при настройке в резонанс сопротивление резонатора уменьшается во столько же раз, во сколько раз увеличивается сопротивление на антирезонансе.

Изучив поведение резонаторов в интервале частот, можно приступить к построению полосовых пьезокерамических фильтров.

Лестничная схема

Пьезокерамические фильтры, выпускаемые промышленностью, обычно выполняют по лестничной схеме. Эта схема позволяет наиболее просто и дёшево реализовать себя в конструктивном исполнении. Лестничный фильтр состоит из звеньев или ступеней. Простейший фильтр – однозвенный, а два последовательно соединённых резонатора представляют простейшее звено. На рис.4 показана схема двухзвенного лестничного фильтра, из которого становится ясным происхождение названия.

Рис.4. Принципиальные схемы двухзвенного лестничного фильтра.

На правой картинке изображена та же схема в общепринятом виде. Чтобы понять, как работает сколь угодно сложный фильтр, достаточно разобраться с работой отдельного звена.

 

Как фильтр фильтрует

Рис.5. Схема простейшего фильтра Рис.6. Частотная зависимость выходного напряжения

Рассмотрим схему простейшего, однозвенного фильтра, рис.5. Он включает в себя входное R1 и выходное R2 нагрузочные сопротивления , пьезокерамический резонатор горизонтальной ветви П1 и пьезокерамический резонатор вертикальной ветви П2. Предположим, что резонаторы взяты с одинаковой ёмкостью. Пусть резисторы также одинаковы, а по величине равны сопротивлению конденсатора, который имеет такую же ёмкость, как у резонаторов. (Частоту имеем в виду равной номинальной частоте фильтра).

Далее условимся, что мы владеем каким-то фантастическим способом, позволяющим включать и выключать пьезоэффект. Выключив пьезоэффект, мы превратим резонаторы в конденсаторы. Тогда характеристика схемы будет иметь вид пунктирной линии, изображённой на рис.6. Перед тем как включить пьезоэффект раскроем маленькую хитрость. Резонаторы П1 и П2 настроены не на одну и ту же частоту. Их частоты сдвинуты на величину резонансного промежутка Δf таким образом, что резонансная частота fр1 резонатора П1 равна антирезонансной частоте fа2 резонатора П2. Расстановка частот показана на частотной оси рис.6. Рассматривая схему на рис.5 как частотнозависимый делитель напряжения и зная порядки эквивалентных сопротивлений резонаторов П1 и П2 на отмеченных частотах, можно легко убедиться, что частотная зависимость напряжения на выходе делителя будет именно такой, как изображена на рис.6. На этой зависимости имеют место два полюса на частотах fр2 и fа1. В левом полюсе сигнал близок к нулю из-за малого сопротивления резонатора П2, а в правом – благодаря большому сопротивлению резонатора П1. Между полюсами формируется полоса пропускания. Нетрудно видеть, что напряжение на выходе делителя, в точке fа2, fр1, в основном определяется соотношением плеч резистивного делителя R1 и R2. Картина между полюсами радует, чего нельзя сказать о внешней части. Кривая вне полюсов очень быстро сливается с пунктирной линией, где напряжение лишь, приблизительно, в два раза меньше, чем в центре полосы пропускания. Оно, это напряжение, определяется отношением ёмкостей резонаторов. Уменьшив ёмкость резонатора П1 и увеличив ёмкость П2, мы улучшим характеристику фильтра за полюсами. Он будет лучше подавлять сигналы вне полосы пропускания. Повлияет ли такое действие на форму кривой внутри полюсов? Да, повлияет, и в худшую сторону. Но эта форма настолько хороша, что может пойти на некоторые жертвы. Эти жертвы будут незначительны и вполне допустимы при отношении ёмкостей 4 - 6. Поэтому резонаторы для горизонтальных и вертикальных ветвей делают разными. Первые должны иметь ёмкость в несколько раз меньше, чем у вторых, и их выполняют более толстыми и с площадью электрода поменьше. Однако и в этом случае подавление сигнала за пределами полосы пропускания будет недостаточно. Дальнейшее улучшение характеристики фильтров достигается увеличением количества звеньев. Далее познакомимся с устройством промышленного многозвенного лестничного фильтра.

Последнее изменение этой страницы: 2016-08-11

lectmania.ru. Все права принадлежат авторам данных материалов. В случае нарушения авторского права напишите нам сюда...