Filtre active: Caracteristici, prima și a doua ordine, aplicații
Filtrele active sunt cele care au surse controlate sau elemente active, cum ar fi, de exemplu, amplificatoare operaționale, tranzistoare sau tuburi vidate. Printr-un circuit electronic, un filtru permite să se conformeze modelării unei funcții de transfer care schimbă semnalul de intrare și dă un semnal de ieșire conform proiectului.
Configurația unui filtru electronic este de obicei selectivă, iar criteriul de selecție este frecvența semnalului de intrare. Datorită celor de mai sus, în funcție de tipul de circuit (în serie sau în paralel), filtrul va permite trecerea anumitor semnale și blocarea trecerii restului.
În acest fel, semnalul de ieșire va fi caracterizat prin faptul că este purificat în conformitate cu parametrii de proiectare ai circuitului care constituie filtrul.
caracteristici
- Filtrele active sunt filtre analogice, ceea ce înseamnă că modifică un semnal analogic (intrare) în funcție de componentele de frecvență.
- Datorită prezenței componentelor active (amplificatoare operaționale, tuburi vidate, tranzistoare etc.), acest tip de filtre mărește o secțiune sau întregul semnal de ieșire, în raport cu semnalul de intrare.
Acest lucru se datorează amplificării energiei prin utilizarea amplificatoarelor operaționale (OPAMS). Cele de mai sus facilitează obținerea rezonanței și a unui factor de înaltă calitate, fără a fi nevoie să se utilizeze inductoare. Pe de altă parte, factorul de calitate - cunoscut și ca factorul Q - este o măsură a clarității și eficienței rezonanței.
- Filtrele active pot combina componente active și pasive. Acestea din urmă sunt componentele de bază ale circuitelor: rezistențe, condensatoare și inductoare.
- Filtrele active permit conexiuni în cascadă, sunt configurate pentru a amplifica semnalele și pentru a permite integrarea între două sau mai multe circuite, dacă este necesar.
- În cazul în care circuitul are amplificatoare operaționale, tensiunea de ieșire a circuitului este limitată de tensiunea de saturație a acestor elemente.
- În funcție de tipul circuitului și de valorile nominale ale elementelor active și pasive, filtrul activ poate fi proiectat pentru a furniza o impedanță de intrare ridicată și o impedanță de ieșire mică.
- Fabricarea filtrelor active este economică în comparație cu alte tipuri de ansambluri.
- Pentru a funcționa, filtrele active necesită o sursă de alimentare, de preferință simetrică.
Filtre de primă comandă
Filtrele de ordinul întâi sunt utilizate pentru a atenua semnalele deasupra sau sub gradul de respingere, în multipli de 6 decibeli de fiecare dată când frecvența este dublată. Acest tip de ansambluri este în mod obișnuit reprezentat de următoarea funcție de transfer:
Când rupeți numerotatorul și numitorul expresiei, trebuie să:
- N (jω) este un polinom de grad ≤ 1
- t este inversa frecvenței unghiulare a filtrului
- W c este frecvența unghiulară a filtrului și este dată de următoarea ecuație:
În expresia menționată fc este frecvența de cutoff a filtrului.
Frecvența de cutoff este aceea a frecvenței limită a filtrului pentru care este indusă atenuarea semnalului. În funcție de configurația filtrului (trecere redusă, trecere înaltă, bandă sau eliminare a benzii), efectul designului filtrului este prezentat, exact, din frecvența de cutoff.
În cazul particular al filtrelor de prim ordin, acestea pot fi doar pass low sau pass high.
Filtre low pass
Acest tip de filtre permite trecerea frecvențelor joase și atenuează sau suprimă frecvențele deasupra frecvenței de cutoff.
Funcția de transfer pentru filtrele low pass este după cum urmează:
Răspunsul amplitudinii și fazei acestei funcții de transfer este:
Un filtru activ trece-jos poate îndeplini funcția de proiectare prin utilizarea rezistențelor de intrare și descărcare la pământ, împreună cu amplificatoare operaționale și configurații de rezistori și condensatori în paralel. Mai jos este un exemplu de circuit activ al unui invertor low pass:
Parametrii funcției de transfer pentru acest circuit sunt:
Filtrele trec foarte mult
Pe de altă parte, filtrele cu trecere înaltă au efectul opus, în comparație cu filtrele cu trecere scăzută. Adică, acest tip de filtre atenuează frecvențele joase și permite trecerea frecvențelor înalte.
Chiar și în funcție de configurația circuitului, filtrele active cu trecere înaltă pot amplifica semnalele dacă au amplificatoare operaționale special amenajate în acest scop. Funcția de transfer a unui filtru activ high-pass de prima ordine este după cum urmează:
Răspunsul amplitudinii și fazei sistemului este:
Un filtru de trecere activă utilizează rezistențe și condensatoare în serie la intrarea circuitului, precum și un rezistor în calea descărcării la sol, pentru a îndeplini funcția impedanței de reacție. Mai jos este un exemplu de circuit activ invertor de înaltă trecere:
Parametrii funcției de transfer pentru acest circuit sunt:
Filtre de ordinul doi
Filtrele de ordinul doi se obțin, de obicei, prin realizarea în serie a conexiunilor pentru filtre de primă necesitate, pentru a obține o configurație mai complexă, care permite selecția selecției frecvenței.
Expresia generală pentru funcția de transfer a unui filtru de ordinul doi este:
Când rupeți numerotatorul și numitorul expresiei, trebuie să:
- N (jω) este un polinom de grad ≤ 2.
- W o este frecvența unghiulară a filtrului și este dată de următoarea ecuație:
În această ecuație f o este frecvența caracteristică a filtrului. În cazul în care există un circuit RLC (rezistență, inductor și condensator în serie), frecvența caracteristică a filtrului coincide cu frecvența de rezonanță a filtrului.
La rândul său, frecvența de rezonanță este frecvența la care sistemul atinge gradul său maxim de oscilație.
- ζ este factorul de amortizare. Acest factor definește capacitatea sistemului de a atenua semnalul de intrare.
La rândul său, din factorul de amortizare, factorul calității filtrului se obține prin următoarea expresie:
În funcție de designul impedanțelor circuitului, filtrele active din clasa a doua pot fi: filtre cu trecere scăzută, filtre de trecere înaltă și filtre de bandă.
aplicații
Filtrele active sunt utilizate în rețelele electrice pentru a reduce perturbațiile din rețea, datorită conectării sarcinilor neliniare.
Aceste perturbații pot fi permeabile prin combinația dintre filtrele active și pasive și variația impedanțelor de intrare și a configurațiilor RC în întregul ansamblu.
În rețelele electrice de putere, filtrele active sunt utilizate pentru a reduce armonicile actuale care circulă prin rețea între filtrul activ și nodul de generare a energiei electrice.
De asemenea, filtrele active ajută la echilibrarea curenților de retur care circulă prin neutru și a armonicilor asociate cu acest flux de curent și a tensiunii sistemului.
În plus, filtrele active îndeplinesc o funcție excelentă în ceea ce privește corecția factorului de putere al sistemelor electrice interconectate.
