Aktive filtre: Egenskaper, Første og andre ordre, Programmer
Aktive filtre er de som har kontrollerte kilder eller aktive elementer, for eksempel operasjonsforsterkere, transistorer eller vakuumrør. Gjennom en elektronisk krets, tillater et filter å overholde modellering av en overføringsfunksjon som endrer inngangssignalet og gir et utgangssignal i henhold til utformingen.
Konfigurasjonen av et elektronisk filter er vanligvis selektiv og utvelgelseskriteriet er frekvensen til inngangssignalet. På grunn av ovenstående, vil filteret tillate passering av visse signaler og blokkere passasjen av resten, avhengig av typen av krets (i serie eller parallelt).
På denne måten vil utgangssignalet karakteriseres ved å bli renset i henhold til designparametrene for kretsen som utgjør filteret.
funksjoner
- Aktive filtre er analoge filtre, noe som betyr at de endrer et analogt signal (inngang) avhengig av frekvenskomponentene.
- Takket være tilstedeværelsen av aktive komponenter (operasjonsforsterkere, vakuumrør, transistorer etc.), øker denne typen filtre en del eller hele utgangssignalet, med hensyn til inngangssignalet.
Dette skyldes forsterkning av energi ved bruk av operasjonsforsterkere (OPAMS). Ovennevnte letter å oppnå resonans og en høykvalitetsfaktor, uten at det må brukes inductors. På den annen side er kvalitetsfaktoren, også kjent som Q-faktoren, et mål for resonansens skarphet og effektivitet.
- Aktive filtre kan kombinere aktive og passive komponenter. Sistnevnte er de grunnleggende komponentene i kretsene: motstander, kondensatorer og induktorer.
- Aktive filtre tillater kaskadeforbindelser, er konfigurert til å forsterke signaler og tillate integrasjon mellom to eller flere kretser om nødvendig.
- I tilfelle kretsen har operasjonsforsterkere, er utgangsspenningen til kretsen begrenset av metallspenningen til disse elementene.
- Avhengig av typen av krets og de nominelle verdiene for de aktive og passive elementene, kan det aktive filteret utformes for å gi en høy inngangsimpedans og en liten utgangsimpedans.
- Fremstilling av aktive filtre er økonomisk sammenlignet med andre typer samlinger.
- For å fungere, krever aktive filtre en strømforsyning, helst symmetrisk.
Førstegangsfilter
De første ordensfiltrene brukes til å dempe signaler som er over eller under avvisningsklassen, i multipler på 6 desibel hver gang frekvensen dobles. Denne typen sammenstillinger er vanligvis representert ved følgende overføringsfunksjon:
Når du bryter ned telleren og nevner av uttrykket, må du:
- N (jω) er et polynom av grad ≤ 1
- t er den inverse av vinkelfrekvensen til filteret
- W c er vinkelfrekvensen til filteret, og er gitt ved følgende ligning:
I nevnte uttrykk er fc cutofffrekvensen til filteret.
Klippfrekvensen er at grensefrekvensen til filteret for hvilket signaldemping er indusert. Avhengig av filterets konfigurasjon (lavpass, høypass, bandpasning eller båndeliminering) presenteres effekten av filterdesignet nettopp fra cutofffrekvensen.
I det spesielle tilfellet med førsteprosessfiltre, kan disse bare være lavpas eller høypass.
Lavpasningsfiltre
Denne typen filtre tillater passasje av lavere frekvenser, og demper eller undertrykker frekvenser over cutoff-frekvensen.
Overføringsfunksjonen for lavpasfiltrene er som følger:
Amplituden og fase responsen til denne overføringsfunksjonen er:
Et aktivt lavpasfilter kan oppfylle designfunksjonen ved å bruke inngangs- og jordavladningsmotstander, sammen med operasjonsforsterkere og motstands- og kondensatorkonfigurasjoner parallelt. Nedenfor er et eksempel på en omformer lavpass aktiv krets:
Parametrene for overføringsfunksjonen for denne kretsen er:
Filtre passerer høyt
På den annen side har høypasningsfiltre motsatt effekt, sammenlignet med lavpasningsfiltre. Det vil si, denne typen filtre demper lave frekvenser og lar høye frekvenser passere.
Selv, avhengig av konfigurasjonen av kretsen, kan høypassede aktive filtre forsterke signalene dersom de har operasjonsforsterkere som er spesielt tilpasset for det formålet. Overføringsfunksjonen til et aktivt høypassfilter i den første ordren er som følger:
Amplituden og fase respons av systemet er:
Et aktivt høypassfilter bruker motstander og kondensatorer i serie ved inngangen til kretsen, samt en motstand i banen for utslipp til jord, for å oppfylle funksjonen tilbakemelding impedans. Nedenfor er et eksempel på en aktiv high-pass inverter krets:
Parametrene for overføringsfunksjonen for denne kretsen er:
Andre rekkefiltre
Andre-rekkefiltre blir vanligvis oppnådd ved å lage førstegangsfilterforbindelser i serie, for å oppnå et mer komplekst oppsett som muliggjør frekvensinnstilling selektivt.
Det generelle uttrykket for overføringsfunksjonen til et andreordfilter er:
Når du bryter ned telleren og nevner av uttrykket, må du:
- N (jω) er et polynom av grad ≤ 2.
- W o er vinkelfrekvensen til filteret, og er gitt ved følgende ligning:
I denne ligningen er f o den karakteristiske frekvensen av filteret. I tilfelle det er en RLC krets (motstand, induktor og kondensator i serie), faller filterets karakteristiske frekvens sammen med filterets resonansfrekvens.
Resonansfrekvensen er i sin tur frekvensen som systemet når sin maksimale grad av svingning.
- ζ er dempningsfaktoren. Denne faktoren definerer kapasiteten til systemet for å dempe inngangssignalet.
I sin tur blir det fra fuktfaktoren oppnådd filterkvalitetsfaktor gjennom følgende uttrykk:
Avhengig av utformingen av kretsimpedansene, kan andre rekkefølge aktive filtre være: lavpasfiltre, høypasningsfiltre og bandpassfiltre.
søknader
De aktive filtrene brukes i elektriske nettverk for å redusere forstyrrelser i nettverket, på grunn av tilkobling av ikke-lineære belastninger.
Disse forstyrrelsene kan gjennomsyres gjennom kombinasjonen av aktive og passive filtre, og variasjonen av inngangsimpedansene og RC-konfigurasjonene i hele samlingen.
I kraftelektriske nettverk brukes de aktive filtrene til å redusere de nåværende harmonikene som sirkulerer gjennom nettverket mellom det aktive filteret og den elektriske kraftgenereringsnoden.
På samme måte bidrar de aktive filtrene til å balansere returstrømmene som sirkulerer gjennom nøytralt, og harmonikken som er forbundet med denne strømmen og spenningen i systemet.
I tillegg oppfyller de aktive filtrene en utmerket funksjon med hensyn til korreksjonen av effektfaktoren til de sammenkoblede elektriske systemene.
