Активни филтри: характеристики, първи и втори ред, приложения
Активни филтри са тези, които имат контролирани източници или активни елементи, като например операционни усилватели, транзистори или вакуумни тръби. Чрез електронна схема, филтърът позволява да се съобрази с моделирането на трансферна функция, която променя входния сигнал и дава изходен сигнал според проекта.
Конфигурацията на електронен филтър обикновено е селективна и критерият за избор е честотата на входния сигнал. Поради горепосоченото, в зависимост от вида на веригата (последователно или паралелно) филтърът ще позволи преминаването на определени сигнали и ще блокира преминаването на останалите.
По този начин изходният сигнал ще бъде характеризиран чрез пречистване съгласно конструктивните параметри на веригата, която представлява филтъра.
функции
- Активните филтри са аналогови филтри, което означава, че те модифицират аналогов сигнал (вход) в зависимост от честотните компоненти.
- Благодарение на наличието на активни компоненти (операционни усилватели, вакуумни тръби, транзистори и др.), Този тип филтри увеличават сечението или целия изходен сигнал по отношение на входния сигнал.
Това се дължи на усилването на енергия чрез използване на операционни усилватели (OPAMS). Посоченото по-горе улеснява получаването на резонанс и висок качествен фактор, без да е необходимо да се използват индуктори. От друга страна, коефициентът на качество, известен още като фактор Q, е мярка за остротата и ефективността на резонанса.
- Активните филтри могат да комбинират активни и пасивни компоненти. Последните са основните компоненти на схемите: резистори, кондензатори и индуктори.
- Активните филтри позволяват каскадно свързване, конфигурирани да усилват сигналите и да позволяват интеграция между две или повече вериги, ако е необходимо.
- В случай, че веригата има оперативни усилватели, изходното напрежение на веригата е ограничено от напрежението на насищане на тези елементи.
- В зависимост от вида на веригата и номиналните стойности на активните и пасивните елементи, активният филтър може да бъде проектиран така, че да осигурява високо входно съпротивление и малък изходен импеданс.
- Производството на активни филтри е икономично в сравнение с други видове сглобки.
- За да работят, активните филтри изискват захранване, за предпочитане симетрично.
Филтри от първи ред
Филтрите от първи ред се използват за намаляване на сигналите, които са над или под нивото на отхвърляне, в кратни на 6 децибела всеки път, когато честотата се удвоява. Този тип сглобки обикновено се представя чрез следната преносна функция:
Когато разбиете числителя и знаменателя на израза, трябва да:
- N (jω) е полином от степен ≤ 1
- t е обратната на ъгловата честота на филтъра
- W c е ъгловата честота на филтъра и се дава със следното уравнение:
В споменатия израз f c е граничната честота на филтъра.
Преходната честота е тази пределна честота на филтъра, при която се индуцира затихване на сигнала. В зависимост от конфигурацията на филтъра (нискочестотен, високочестотен, лентов или лентов елиминиране), ефектът от дизайна на филтъра е представен точно от граничната честота.
В конкретния случай на филтри от първи ред, те могат да бъдат само нискочестотни или високопроходими.
Нискочестотни филтри
Този тип филтри позволяват преминаването на по-ниски честоти и отслабват или потискат честотите над граничната честота.
Трансферната функция за нискочестотните филтри е както следва:
Амплитудният и фазовият отговор на тази трансферна функция е:
Активният нискочестотен филтър може да изпълни проектната функция чрез използване на входни и земно-разрядни резистори, заедно с операционни усилватели и паралелно конфигурации на резистори и кондензатори. По-долу е даден пример на инверторна нискочестотна активна верига:
Параметрите на трансферната функция за тази верига са:
Филтрите преминават високо
От друга страна, високочестотните филтри имат обратен ефект, в сравнение с нискочестотните филтри. Това означава, че този тип филтри намаляват ниските честоти и позволяват високите честоти да преминават.
Дори, в зависимост от конфигурацията на веригата, активните филтри с висока честота могат да усилят сигналите, ако имат оперативни усилватели, специално подредени за тази цел. Трансферната функция на активен високочестотен филтър от първия ред е както следва:
Отговорът на амплитудата и фазата на системата е:
Активен високочестотен филтър използва резистори и кондензатори последователно на входа на веригата, както и резистор по пътя на разряда към земята, за да изпълнява функцията на импеданс на обратната връзка. По-долу е даден пример за активна високочестотна инверторна схема:
Параметрите на трансферната функция за тази верига са:
Филтри от втори ред
Филтрите от втори ред обикновено се получават чрез последователно свързване на филтърни връзки от първи ред, за да се получи по-сложна настройка, която позволява настройка на честотите избирателно.
Общият израз за трансферната функция на филтър от втори ред е:
Когато разбиете числителя и знаменателя на израза, трябва да:
- N (jω) е полином от степен ≤ 2.
- W o е ъгловата честота на филтъра и се дава със следното уравнение:
В това уравнение f o е характеристичната честота на филтъра. В случай, че има RLC верига (съпротивление, индуктор и кондензатор последователно), характерната честота на филтъра съвпада с резонансната честота на филтъра.
На свой ред, резонансната честота е честотата, при която системата достига максималната си степен на трептене.
- ζ е коефициентът на затихване. Този фактор определя капацитета на системата да овлажнява входния сигнал.
На свой ред от коефициента на затихване коефициентът на качеството на филтъра се получава чрез следния израз:
В зависимост от конструкцията на импедансите на веригата, активните филтри от втори ред могат да бъдат: нискочестотни филтри, високочестотни филтри и лентови филтри.
приложения
Активните филтри се използват в електрическите мрежи, за да се намалят смущенията в мрежата, поради свързването на нелинейни товари.
Тези смущения могат да бъдат проникнати чрез комбинация от активни и пасивни филтри, както и от вариациите на входните импеданси и RC конфигурации в сглобяването.
В силовите електрически мрежи, активните филтри се използват за намаляване на токовите хармоници, които циркулират през мрежата между активния филтър и възела за производство на електрическа енергия.
По същия начин, активните филтри помагат за балансиране на възвратните токове, които циркулират през неутралата, и на хармониците, свързани с този токов поток и напрежението на системата.
В допълнение, активните филтри изпълняват отлична функция по отношение на корекцията на фактора на мощността на взаимосвързаните електрически системи.