FILTRY AKTYWNE: CHARAKTERYSTYKA, PIERWSZEGO I DRUGIEGO RZĘDU - TECHNOLOGIA - 2025

Filtry aktywne to takie, które mają kontrolowane źródła lub elementy aktywne, takie jak wzmacniacze operacyjne, tranzystory lub lampy próżniowe. Poprzez obwód elektroniczny filtr umożliwia modelowanie funkcji przenoszenia, która zmienia sygnał wejściowy i daje sygnał wyjściowy zgodnie z projektem.

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

W ten sposób sygnał wyjściowy będzie charakteryzował się udoskonaleniem zgodnie z parametrami konstrukcyjnymi obwodu, który stanowi filtr.

cechy

- Filtry aktywne to filtry analogowe, co oznacza, że ​​modyfikują sygnał analogowy (wejście) w funkcji składowych częstotliwości.

- Dzięki obecności elementów aktywnych (wzmacniacze operacyjne, lampy próżniowe, tranzystory itp.) Tego typu filtr zwiększa odcinek lub cały sygnał wyjściowy w stosunku do sygnału wejściowego.

Wynika to ze wzmocnienia mocy za pomocą wzmacniaczy operacyjnych (OPAMS). Ułatwia to uzyskanie rezonansu i wysokiej jakości współczynnika bez konieczności stosowania cewek. Z kolei współczynnik jakości - zwany również współczynnikiem Q - jest miarą ostrości i skuteczności rezonansu.

- Filtry aktywne mogą łączyć komponenty aktywne i pasywne. Te ostatnie to podstawowe elementy obwodów: rezystory, kondensatory i cewki.

- Filtry aktywne umożliwiają połączenia kaskadowe, są skonfigurowane do wzmacniania sygnałów i umożliwiają integrację między dwoma lub więcej obwodami, jeśli to konieczne.

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

- W zależności od typu obwodu i wartości znamionowych elementów aktywnych i pasywnych, filtr aktywny można zaprojektować tak, aby zapewniał wysoką impedancję wejściową i małą impedancję wyjściową.

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

- Do działania filtry aktywne wymagają zasilania, najlepiej symetrycznego.

Filtry pierwszego rzędu

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

Rozbijając licznik i mianownik wyrażenia, otrzymujemy:

- N (jω) jest wielomianem stopnia ≤ 1

- t jest odwrotnością częstotliwości kątowej filtra

- W _c jest częstotliwością kątową filtra i jest określona następującym równaniem:

W tym wyrażeniu f _c jest częstotliwością odcięcia filtra.

Częstotliwość odcięcia to częstotliwość graniczna filtru, dla którego indukowane jest tłumienie sygnału. W zależności od konfiguracji filtra (pasma dolnoprzepustowe, górnoprzepustowe, pasmowoprzepustowe lub eliminujące) efekt konstrukcji filtra jest przedstawiany dokładnie na podstawie częstotliwości odcięcia.

W szczególnym przypadku filtrów pierwszego rzędu mogą to być tylko dolnoprzepustowe lub górnoprzepustowe.

Filtry dolnoprzepustowe

Ten typ filtra przepuszcza niższe częstotliwości i tłumi lub tłumi częstotliwości powyżej częstotliwości odcięcia.

Funkcja transferu dla filtrów dolnoprzepustowych jest następująca:

Amplituda i odpowiedź fazowa tej funkcji przenoszenia to:

Aktywny filtr dolnoprzepustowy może spełniać funkcję projektową, wykorzystując rezystory wejściowe i rezystory rozładowcze do masy, a także wzmacniacze operacyjne oraz równoległe konfiguracje kondensatorów i rezystorów. Poniżej znajduje się przykład aktywnego obwodu inwertera dolnoprzepustowego:

Parametry funkcji przenoszenia dla tego obwodu to:

Filtry górnoprzepustowe

Ze swojej strony filtry górnoprzepustowe mają odwrotny skutek w porównaniu z filtrami dolnoprzepustowymi. Innymi słowy, ten typ filtra tłumi niskie częstotliwości i przepuszcza wysokie częstotliwości.

Nawet, w zależności od konfiguracji obwodu, aktywne filtry górnoprzepustowe mogą wzmacniać sygnały, jeśli mają specjalnie ustawione wzmacniacze operacyjne. Funkcja przenoszenia aktywnego filtra górnoprzepustowego pierwszego rzędu jest następująca:

Amplituda i odpowiedź fazowa systemu to:

Aktywny filtr górnoprzepustowy wykorzystuje rezystory i kondensatory połączone szeregowo na wejściu obwodu, a także rezystor na ścieżce wyładowania do masy, aby służyć jako impedancja sprzężenia zwrotnego. Oto przykład aktywnego górnoprzepustowego obwodu falownika:

Parametry funkcji przenoszenia dla tego obwodu to:

Filtry drugiego rzędu

Filtry drugiego rzędu są zwykle uzyskiwane przez wykonanie szeregowych połączeń filtrów pierwszego rzędu w celu uzyskania bardziej złożonego zespołu, który umożliwia selektywne dostrojenie częstotliwości.

Ogólne wyrażenie na funkcję przenoszenia filtra drugiego rzędu to:

Rozbijając licznik i mianownik wyrażenia, otrzymujemy:

- N (jω) jest wielomianem stopnia ≤ 2.

- W _o jest częstotliwością kątową filtra i jest określone następującym równaniem:

W tym równaniu f _o jest charakterystyczną częstotliwością filtra. W przypadku posiadania obwodu RLC (rezystancja, cewka i kondensator połączone szeregowo), częstotliwość charakterystyczna filtra jest zgodna z częstotliwością rezonansową filtra.

Z kolei częstotliwość rezonansowa to częstotliwość, przy której układ osiąga maksymalny stopień oscylacji.

- ζ jest współczynnikiem tłumienia. Czynnik ten określa zdolność systemu do tłumienia sygnału wejściowego.

Z kolei ze współczynnika tłumienia współczynnik jakości filtra uzyskuje się za pomocą następującego wyrażenia:

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

Aplikacje

Filtry aktywne są stosowane w sieciach elektrycznych w celu ograniczenia zakłóceń w sieci, spowodowanych podłączeniem nieliniowych obciążeń.

Te zakłócenia mogą być przenikane przez połączenie filtrów aktywnych i pasywnych oraz zmieniających się impedancje wejściowe i ustawienia RC w całym zespole.

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

Podobnie, filtry aktywne pomagają zrównoważyć prądy powrotne krążące przez przewód neutralny oraz harmoniczne związane z tym przepływem prądu i napięciem systemu.

Ponadto filtry aktywne odgrywają doskonałą rolę w korygowaniu współczynnika mocy połączonych systemów elektrycznych.

Bibliografia

1. Aktywne filtry (sf). Narodowy Eksperymentalny Uniwersytet Táchira. Stan Táchira, Wenezuela. Odzyskany z: unet.edu.ve
2. Lamich, M. (2001). Aktywne filtry: wprowadzenie i zastosowania. Universitat Politècnica de Catalunya, Hiszpania. Odzyskany z: crit.upc.edu
3. Miyara, F. (2004). Aktywne filtry. Narodowy Uniwersytet Rosario. Argentyna. Odzyskany z: fceia.unr.edu.ar
4. Gimenez, M (sf). Teoria obwodów II. Uniwersytet Simona Bolivara. Stan Miranda, Wenezuela. Odzyskany z: labc.usb.ve
5. Wikipedia, wolna encyklopedia (2017). Aktywny filtr. Odzyskane z: es.wikipedia.org
6. Wikipedia, wolna encyklopedia (2017). Filtr elektroniczny. Odzyskane z: es.wikipedia.org