Тема №41 Электромеханические. Пьезоэлектрические фильтры

Тема №41

Электромеханические и пьезоэлектрические фильтры

1. Дайте определение понятию «электромеханический фильтр»

2. Поясните из чего состоит электромеханический фильтр

3. Поясните, какие преобразователи используются в электромеханических фильтрах. Сравните эти преобразователи.

4. Дайте определение понятию «пьезоэлектрический фильтр»

5. Поясните принцип работы пьезоэлектрического фильтра

6. Поясните разновидности пьезоэлектрического фильтра

7. Поясните, что используют в роли резонатора в пьезоэлектрических фильтрах

Пояснить принцип работы электромеханических фильтров.

Электромехани́ческий фильтр (ЭМФ) — это фильтр, обычно используемый вместо электронного фильтра радиочастот, основное назначение которого: пропускать колебания в определенной полосе частот и подавлять остальные. В фильтре используются механические колебания, аналогичные подаваемому электрическому сигналу (это один из типов аналоговых фильтров). На входе и на выходе фильтра стоят электромеханические преобразователи, которые преобразуют электрические колебания сигнала в механические колебания рабочего тела фильтра и обратно.

Все компоненты ЭМФ по своим функциям аналогичны различным элементам электрической цепи.

Детали ЭМФ обычно выполняются из стали или из железо-никелевых сплавов. Никель обычно используется на входных и выходных выводах фильтра. Резонаторы фильтра, сделанные из этих материалов, перед окончательной сборкой фильтра проходят обработку на специальном высокоточном станке, чтобы придать им требуемые частотные характеристики.

Поскольку ЭМФ работает как электромеханическое устройство, при его разработке полностью применимы методы механического конструирования устройств для фильтрации механических колебаний или звуковых волн (которые тоже являются механическими колебаниями). Такие методы используются, например, при разработке корпусов громкоговорителей. В электрических приложениях, в дополнение к механическим компонентам с характеристиками электрических деталей, нужны преобразователи механических колебаний в электрические и обратно. Существует множество различных форм компонентов и топологий механических фильтров,

В электромеханических фильтрах используются как магнитострикционные, так и пьезоэлектрические электромеханические преобразователи (ЭМП). В современных ЭМФ предпочтение отдаётся пьезоэлектрическим преобразователям, т.к. пьезоэлектрик может быть одновременно использован как резонатор, что позволяет уменьшить количество деталей и размер фильтра. Кроме того, магнитострикционный ЭМФ чувствителен к внешним магнитным полям, а на работу пьезоэлектрического фильтра они практически не влияют. Магнитострикционный материал — это материал, который меняет форму под воздействием магнитного поля, и, наоборот, создаёт магнитное поле, будучи деформированным.

1. Пояснить принцип работы пьезоэлектрических фильтров.

Пьезоэлектрики меняют свою форму под действием электрического поля, а также создают электрическое поле, будучи деформированными. В конструкции электромеханического фильтра может быть использовано множество различных сочетаний резонаторов и электромеханических преобразователей.

Рисунок 66 Структурная схема электромеханического фильтра

Пьезоэлектрический фильтр (ПЭФ) – механическая колебательная система с распределенными параметрами, имеющая в своем составе один или более пьезоэлектрических резонаторов или вибраторов и служит для выделения или подавления определенного спектра колебаний. Механическая прочность и малые габариты - широко применяются в бытовой аппаратуре.

По своей функции ПЭФ бывают:

Полосно-пропускающие (полосовые);

Полосно-заграждающие (режекторные или филтры-"пробки")- подавляют сигналы определенных частот (сигналы с более высокими и более низкими частотами пропускают).

Основные параметры:

Номинальная частота - центральная частота (максимум АЧХ);

Ширина полосы пропускания – разность частот по уровню 0,707 (Uвых уменьшается на 3 дБ).

Селективность или избирательность по соседнему каналу – способность фильтра выделять из подводимых частот только те колебания, на частоту которых он настроен.

Неравномерность затухания в полосе пропускания.

В настоящее время выпускаются однозвенные и многозвенные пьезокерамические фильтры, на частотах от 1 Гц до десятков МГц. Наиболее массовым тиражом производятся промежуточных частот для радиоприемников и телевидения.

Выпускаются гибридные и монолитные фильтры. Гибридные фильтры содержат в своем составе усилительные элементы (тран-зисторы) и применяются на низких частотах (до 3 МГц), в виде микросборок в типовых корпусах, с предусмотренными выводами питания.

Монолитные фильтры - это интегральные твердотельные устройства, представляющие разновидность электромеханических фильтров с пьезоэлектрическими преобразователями на входе и на выходе, являющимися одновременно и резонаторами.

Рисунок 67 Эквивалентная схема пьезоэлектрическиго фильтра

В пьезоэлектрических фильтрах роль резонатора выполняет пластинка, вырезанная специальным образом из материала, обладающего пьезоэлектрическим эффектом ( например, из кристалла кварца). Пьезоэффект кварцевой пластинки заключается в появлении на ее поверхностях электрических зарядов при механическом воздействии на пластинку.

Если пьезопластинку поместить между металлическими обкладками и подать на обкладки переменное напряжение, то пластинка начнет совершать механические колебания. На поверхности пластинки возникнут электрические заряды, и во внешней цепи потечет ток. При механическом резонансе амплитуда колебаний пластинки будет максимальной, а ток во внешней цепи –то же максимален. Это подобно резонансу в последовательном контуре