Aktywne filtry: charakterystyka, pierwsze i drugie zamówienie, aplikacje

Aktywne filtry to takie, które mają kontrolowane źródła lub aktywne elementy, takie jak na przykład wzmacniacze operacyjne, tranzystory lub lampy próżniowe. Dzięki układowi elektronicznemu filtr umożliwia dostosowanie się do modelowania funkcji przenoszenia, która zmienia sygnał wejściowy i daje sygnał wyjściowy zgodnie z projektem.

Konfiguracja filtra elektronicznego jest zwykle selektywna, a kryterium wyboru jest częstotliwość sygnału wejściowego. W związku z powyższym, w zależności od rodzaju obwodu (szeregowo lub równolegle), filtr umożliwi przejście pewnych sygnałów i zablokuje przejście reszty.

W ten sposób sygnał wyjściowy będzie charakteryzowany przez oczyszczanie zgodnie z parametrami konstrukcyjnymi obwodu, który stanowi filtr.

Funkcje

- Aktywne filtry to filtry analogowe, co oznacza, że ​​modyfikują sygnał analogowy (wejście) w zależności od składowych częstotliwości.

- Dzięki obecności aktywnych komponentów (wzmacniaczy operacyjnych, lamp próżniowych, tranzystorów itp.) Ten typ filtrów zwiększa sekcję lub cały sygnał wyjściowy w odniesieniu do sygnału wejściowego.

Wynika to ze wzmocnienia energii poprzez wykorzystanie wzmacniaczy operacyjnych (OPAMS). Powyższe ułatwia uzyskanie rezonansu i wysokiej jakości, bez konieczności stosowania cewek indukcyjnych. Z drugiej strony, współczynnik jakości - znany również jako współczynnik Q - jest miarą ostrości i skuteczności rezonansu.

- Aktywne filtry mogą łączyć elementy aktywne i pasywne. Te ostatnie są podstawowymi elementami obwodów: rezystorami, kondensatorami i cewkami indukcyjnymi.

- Aktywne filtry umożliwiają połączenia kaskadowe, są skonfigurowane do wzmacniania sygnałów i umożliwiają integrację dwóch lub więcej obwodów, jeśli to konieczne.

- W przypadku, gdy obwód ma wzmacniacze operacyjne, napięcie wyjściowe obwodu jest ograniczone napięciem nasycenia tych elementów.

- W zależności od rodzaju obwodu i wartości nominalnych elementów aktywnych i pasywnych, aktywny filtr może być zaprojektowany tak, aby zapewnić wysoką impedancję wejściową i małą impedancję wyjściową.

- Produkcja aktywnych filtrów jest ekonomiczna w porównaniu z innymi typami zespołów.

- Aby działać, filtry aktywne wymagają zasilania, najlepiej symetrycznego.

Filtry pierwszego rzędu

Filtry pierwszego rzędu są używane do tłumienia sygnałów, które są powyżej lub poniżej stopnia odrzucenia, w wielokrotnościach 6 decybeli za każdym razem, gdy częstotliwość jest podwojona. Ten typ zespołów jest zwykle reprezentowany przez następującą funkcję transferu:

Kiedy rozbijasz licznik i mianownik wyrażenia, musisz:

- N (jω) jest wielomianem stopnia ≤ 1

- t jest odwrotnością częstotliwości kątowej filtra

- W _c jest częstotliwością kątową filtra i jest podane przez następujące równanie:

We wspomnianym wyrażeniu fc jest częstotliwością odcięcia filtra.

Częstotliwość graniczna jest tą częstotliwością graniczną filtra, dla której indukowane jest tłumienie sygnału. W zależności od konfiguracji filtra (dolnoprzepustowy, górnoprzepustowy, pasmowy lub eliminacji pasma), efekt konstrukcji filtra jest przedstawiony dokładnie z częstotliwości odcięcia.

W szczególnym przypadku filtrów pierwszego rzędu mogą to być tylko passy niskie lub wysokie.

Filtry dolnoprzepustowe

Ten typ filtrów pozwala na przejście niższych częstotliwości i tłumi lub tłumi częstotliwości powyżej częstotliwości granicznej.

Funkcja transferu dla filtrów dolnoprzepustowych jest następująca:

Odpowiedź amplitudowa i fazowa tej funkcji przenoszenia jest:

Aktywny filtr dolnoprzepustowy może spełniać funkcję projektową przy użyciu rezystorów wejściowych i uziemiających wraz ze wzmacniaczami operacyjnymi i konfiguracjami rezystorów i kondensatorów równolegle. Poniżej przedstawiono przykład aktywnego obwodu dolnoprzepustowego falownika:

Parametrami funkcji przesyłania dla tego obwodu są:

Filtry przechodzą wysoko

Z drugiej strony filtry górnoprzepustowe mają odwrotny efekt w porównaniu z filtrami dolnoprzepustowymi. Oznacza to, że tego typu filtry tłumią niskie częstotliwości i przepuszczają wysokie częstotliwości.

Nawet, w zależności od konfiguracji obwodu, filtry górnoprzepustowe mogą wzmacniać sygnały, jeśli mają specjalnie do tego celu zaprojektowane wzmacniacze operacyjne. Funkcja transferu aktywnego filtra górnoprzepustowego pierwszego rzędu jest następująca:

Odpowiedź amplitudowa i fazowa systemu:

Aktywny filtr górnoprzepustowy wykorzystuje szeregowo rezystory i kondensatory na wejściu obwodu, jak również rezystor na drodze rozładowania do masy, aby spełnić funkcję impedancji sprzężenia zwrotnego. Poniżej znajduje się przykład aktywnego obwodu falownika górnoprzepustowego:

Parametrami funkcji przesyłania dla tego obwodu są:

Filtry drugiego rzędu

Filtry drugiego rzędu są zwykle uzyskiwane przez szeregowe łączenie filtrów pierwszego rzędu w celu uzyskania bardziej złożonej konfiguracji, która umożliwia selektywne strojenie częstotliwości.

Ogólnym wyrażeniem funkcji przenoszenia filtru drugiego rzędu jest:

Kiedy rozbijasz licznik i mianownik wyrażenia, musisz:

- N (jω) jest wielomianem stopnia ≤ 2.

- W _o jest częstotliwością kątową filtra i jest podana przez następujące równanie:

W tym równaniu f _o jest częstotliwością charakterystyczną filtra. W przypadku, gdy istnieje obwód RLC (rezystancja, cewka i kondensator w szeregu), częstotliwość charakterystyczna filtra pokrywa się z częstotliwością rezonansową filtra.

Z kolei częstotliwość rezonansowa jest częstotliwością, przy której system osiąga swój maksymalny stopień oscylacji.

- ζ to współczynnik tłumienia. Ten czynnik określa zdolność systemu do tłumienia sygnału wejściowego.

Z kolei ze współczynnika tłumienia uzyskuje się współczynnik jakości filtra poprzez następujące wyrażenie:

W zależności od konstrukcji impedancji obwodu, aktywnymi filtrami drugiego rzędu mogą być: filtry dolnoprzepustowe, filtry górnoprzepustowe i filtry pasmowo-przepustowe.

Aplikacje

Aktywne filtry są stosowane w sieciach elektrycznych w celu zmniejszenia zakłóceń w sieci, ze względu na połączenie obciążeń nieliniowych.

Zakłócenia te mogą być przenikane przez kombinację filtrów aktywnych i pasywnych oraz zmienność impedancji wejściowych i konfiguracji RC w całym zespole.

W sieciach elektroenergetycznych aktywne filtry są wykorzystywane do redukcji harmonicznych prądu, które krążą w sieci między aktywnym filtrem a węzłem wytwarzania energii elektrycznej.

Podobnie, filtry aktywne pomagają zrównoważyć prądy powrotne, które krążą w układzie neutralnym, oraz harmoniczne związane z tym przepływem prądu i napięciem układu.

Ponadto aktywne filtry spełniają doskonałą funkcję w odniesieniu do korekcji współczynnika mocy wzajemnie połączonych systemów elektrycznych.