Активный трехполосный фильтр на базе NM2116

Юрий Садиков
г. Москва

 

В статье приведены результаты работ по созданию устройства, представляющего собой комплект активных фильтров для построения высококачественных трехполосных усилителей низкой частоты классов HiFi и HiEnd.

В процессе предварительных исследований суммарной АЧХ трехполосного усилителя, построенного с использованием трех активных фильтров второго порядка, выяснилось, что эта характеристика при любых частотах стыков фильтров обладает весьма высокой неравномерностью. При этом она весьма критична к точности настройки фильтров. Даже при небольшом рассогласовании неравномерность суммарной АЧХ может составить 10…15 дБ!

МАСТЕР КИТ выпускает набор NM2116, из которого можно собрать комплект фильтров, построенный на базе двух фильтров и вычитающего сумматора, не имеющий вышеперечисленных недостатков. Разработанное устройство малочувствительно к параметрам частот среза отдельных фильтров и при этом обеспечивает высоколинейную суммарную АЧХ.

 

Основными элементами современной высококачественной звуковоспроизводящей аппаратуры являются акустические системы (АС).

Самыми простыми и дешевыми являются однополосные АС, имеющие в своем составе один громкоговоритель. Такие акустические системы не способны с высоким качеством работать в широком диапазоне частот в силу использования одного громкоговорителя (головка громкоговорителя — ГГ). При воспроизведении разных частот к ГГ предъявляются различные требования. На низких частотах (НЧ) динамик должен обладать большим и жестким диффузором, низкой резонансной частотой и иметь большой ход (для прокачки большого объема воздуха). А на высоких частотах (ВЧ) наоборот – необходим небольшой легкий но твердый диффузор с малым ходом. Все эти характеристики совместить в одном громкоговорителе практически невозможно (несмотря на многочисленные попытки), поэтому одиночный громкоговоритель имеет высокую частотную неравномерность. Кроме этого в широкополосных громкоговорителях существует эффект интермодуляции, который проявляется в модуляции высокочастотных компонент звукового сигнала низкочастотными. В результате звуковая картина нарушается. Традиционным решением этой проблемы является разделение воспроизводимого диапазона частот на поддиапазоны и построение акустических систем на базе нескольких динамиков на каждый выбранный частотный поддиапазон.

 

Пассивные и активные разделительные электрические фильтры

Для снижения уровня интермодуляционных искажений перед громкоговорителями устанавливаются электрические разделительные фильтры. Эти фильтры также выполняют функцию распределения энергии звукового сигнала между ГГ. Их рассчитывают на определенную частоту разделения, за пределами которой фильтр обеспечивает выбранную величину затухания, выражаемую в децибелах на октаву. Крутизна затухания разделительного фильтра зависит от схемы его построения. Фильтр первого порядка обеспечивазатухание 6 дБ/окт, второго порядка — 12 дБ/окт, а третьего порядка — 18 дБ/окт. Чаще всего в АС используются фильтры второго порядка. Фильтры более высоких порядков применяются в АС редко из-за сложной реализации точных значений элементов и отсутствия потребности иметь более высокие значения крутизны затухания.

Частота разделения фильтров зависит от параметров применяемых ГГ и от свойств слуха. Наилучший выбор частоты разделения — при котором каждый ГГ АС работает в пределах области поршневого действия диффузора. Однако при этом АС должна иметь много частот разделения (соответственно ГГ), что значительно увеличивает ее стоимость. Технически обосновано, что для качественного звуковоспроизведения достаточно применять трехполосное разделение частот. Однако на практике существуют 4-х, 5-и и даже 6-и полосные акустические системы. Первую (низкую) частоту разделения выбирают в диапазоне 200…400 Гц, а вторую (среднюю) частоту разделения в диапазоне 2500…4000 Гц.

Традиционно фильтры изготавливаются с применением пассивных L, C, R элементов, и устанавливаются непосредственно на выходе оконечного усилителя мощности (УМ) в корпусе АС, согласно рис.1.

 

 Рис.1. Традиционное исполнение АС.

 

Однако у подобного исполнения существует ряд недостатков. Во первых, для обеспечения необходимых частот среза приходится работать с достаточно большими индуктивностями, поскольку необходимо выполнить одновременно два условия – обеспечить необходимую частоту среза и обеспечить согласование фильтра с ГГ (иными словами нельзя уменьшить индуктивность за счет увеличения емкости, входящей в состав фильтра). Намотку катушек индуктивности желательно производить на каркасах без применения ферромагнетиков из-за существенной нелинейности их кривой намагниченности. Соответственно, воздушные катушки индуктивности получаются достаточно громоздкими. Кроме всего существует погрешность намотки, которая не позволяет обеспечить точно рассчитанную частоту среза.

Провод, которым ведется намотка катушек, обладает конечным омическим сопротивлением, что в свою очередь, приводит к уменьшению КПД системы в целом и преобразованием части полезной мощности УМ в тепло. Особенно заметно это проявляется в автомобильных усилителях, где питающее напряжение ограничено 12 В. Поэтому для построения автомобильных стереосистем часто применяют ГГ пониженного сопротивления обмотки (~2…4 Ом). В такой системе введение дополнительного сопротивления фильтра порядка 0,5 Ом может привести к уменьшению выходной мощности на 30%…40%.

При проектировании высококачественного усилителя мощности стараются свести к минимуму его выходное сопротивление для увеличения степени демпфирования ГГ. Применение пассивных фильтров заметно снижает степень демпфирования ГГ, поскольку последовательно с выходом усилителя подключается дополнительное реактивное сопротивление фильтра. Для слушателя это проявляется в появлении «бубнящих» басов.

Эффективным решением является использование не пассивных, а активных электронных фильтров, в которых все перечисленные недостатки отсутствуют. В отличие от пассивных фильтров, активные фильтры устанавливается до УМ как показано на рис.2.

 

Рис.2. Построение звуковоспроизводящего тракта с использованием активных фильтров.

 

Активные фильтры представляют собой RC фильтры на операционных усилителях (ОУ). Несложно построить активные фильтры звуковых частот любого порядка и с любой частотой среза. Расчет подобных фильтров производится по табличным коэффициентам с заранее выбранным типом фильтра, необходимым порядком и частотой среза.

Использование современных электронных компонентов позволяет изготавливать фильтры, обладающие минимальными значениями уровней собственных шумов, малым энергопотреблением, габаритами и простотой исполнения/повторения. В результате, использование активных фильтров приводит к увеличению степени демпфирования ГГ, снижает потери мощности, уменьшает искажения и увеличивает КПД звуковоспроизводящего тракта в целом.

К недостаткам такой архитектуры относится необходимость использования нескольких усилителей мощности и нескольких пар проводов для подключения акустических систем. Однако в настоящее время это не является критичным. Уровень современных технологий значительно снизил цену и размеры УМ. Кроме того, появилось достаточно много мощных усилителей в интегральном исполнении с отличными характеристиками, даже для профессионального применения. На сегодняшний день существует ряд ИМС с несколькими УМ в одном корпусе (фирма Panasonic выпускает ИМС RCN311W64A-P с 6-ю усилителями мощности специально для построения трехполосных стереосистем). Кроме того УМ можно расположить внутри АС и использовать короткие провода большого сечения для подключения динамиков, а входной сигнал подать по тонкому экранированному кабелю. Однако, если даже не удается установить УМ внутри АС, применение многожильных соединительных кабелей не представляет собой сложную проблему.

 

Моделирование и выбор оптимальной структуры активных фильтров

При построении блока активных фильтров было решено использовать структуру состоящую из фильтра высокой частоты (ФВЧ), фильтра средней частоты (полосовой фильтр, ФСЧ) и фильтра низкой частоты (ФНЧ).

Это схемотехническое решение было практически реализовано. Был построен блок активных фильтров НЧ, ВЧ и ПФ. В качестве модели трехполосной АС был выбран трехканальный сумматор, обеспечивающий суммирование частотных компонент, согласно рис.3.

 

Рис.3. Модель трехканальной АС с набором активных фильтров и ФСЧ на ПФ.

 

При снятии АЧХ такой системы, при оптимально подобранных частотах среза, ожидалось получить линейную зависимость. Но результаты оказались далеки от предполагаемых. В точках сопряжения характеристик фильтров наблюдались провалы/выбросы в зависимости от соотношения частот среза соседних фильтров. В итоге подбором значений частот среза не удалось привести проходную АЧХ системы к линейному виду. Нелинейность проходной характеристики свидетельствует о наличии частотных искажений в воспроизводимом музыкальном оформлении. Результаты эксперимента представлены на рис.4, рис.5 и рис.6. Рис.4 иллюстрирует сопряжение ФНЧ и ФВЧ по стандартному уровню 0.707. Как видно из рисунка в точке сопряжения результирующая АЧХ (показана красным цветом) имеет существенный провал. При раздвижении характеристик глубина и ширина провала увеличивается, соответственно. Рис.5 иллюстрирует сопряжение ФНЧ и ФВЧ по уровню 0.93 (сдвижка частотных характеристик фильтров). Эта зависимость иллюстрирует минимально достижимую неравномерность проходной АЧХ, путем подбора частот среза фильтров. Как видно из рисунка, зависимость явно не линейна. При этом частоты среза фильтров можно считать оптимальными для данной системы. При дальнейшем сдвиге частотных характеристик фильтров (сопряжение по уровню 0.97) наблюдается появление выброса в проходной АЧХ в точке стыка характеристик фильтров. Подобная ситуация показана на рис.6.

 

Рис.4. АЧХ ФНЧ (черный), АЧХ ФВЧ (черный) и проходная АЧХ (красный), согласование по уровню 0.707.

 

Рис.5. АЧХ ФНЧ (черный), АЧХ ФВЧ (черный) и проходная АЧХ (красный), согласование по уровню 0.93.

 

Рис.6. АЧХ ФНЧ (черный), АЧХ ФВЧ (черный) и проходная АЧХ (красный), согласование по уровню 0.97 и появление выброса.

 

Основной причиной нелинейности проходной АЧХ является наличие фазовых искажений на границах частот среза фильтров.

Решить подобную проблему позволяет построение среднечастотного фильтра не в виде полосового фильтра, а с использованием вычитающего сумматора на ОУ. Характеристика такого ФСЧ формируется в соответствии с формулой: Uсч = Uвх – Uнч — Uвч

Структура такой системы представлена на рис.7.

 

Рис.7. Модель трехканальной АС с набором активных фильтров и ФСЧ на вычитающем сумматоре.

 

При таком способе формирования канала средних частот пропадает необходимость в точной настройке соседних частот среза фильтров, т.к. среднечастотный сигнал формируется вычитанием из полного сигнала сигналов фильтров высоких и низких частот. Кроме обеспечения взаимодополняющих АЧХ, у фильтров получаются так же и комплементарные ФЧХ, что гарантирует отсутствие выбросов и провалов в суммарной АЧХ всей системы.

АЧХ среднечастотного звена с частотами среза Fср1 = 300 Гц и Fср2 = 3000 Гц приведена на рис. 8. По спаду АЧХ обеспечивается затухание не более 6 дБ/окт, что, как показывает практика, вполне достаточно для практической реализации ФСЧ и получения качественного звучания СЧ ГГ.

 

Рис.8. АЧХ фильтра средних частот.

 

Проходной коэффициент передачи такой системы с ФНЧ, ФВЧ и ФСЧ на вычитающем сумматоре получается линейным во всем диапазоне частот 20 Гц…20 кГц, согласно рис. 9. Полностью отсутствуют амплитудные и фазовые искажения, что обеспечивает кристальную чистоту воспроизводимого звукового сигнала.

 

Рис.9. АЧХ системы фильтров с ФСЧ на вычитающем сумматоре.

 

К недостаткам подобного решения можно отнести жесткие требования к точности номиналов резисторов R1, R2, R3 (согласно рис.10, на котором представлена электрическая схема вычитающего сумматора) обеспечивающих балансировку сумматора. Эти резисторы должны использоваться с допусками на точность не более 1%. Однако при возникновении проблем с приобретением таких резисторов потребуется сбалансировать сумматор используя вместо R1, R2 подстроечные резисторы.

Балансировка сумматора выполняется по следующей методике. Сначала на вход системы фильтров необходимо подать низкочастотное колебание с частотой, намного ниже частоты среза ФНЧ, например 100 Гц. Изменяя значение R1 необходимо установить минимальный уровень сигнала на выходе сумматора. Затем на вход системы фильтров подается колебание с частотой заведомо большей частоты среза ФВЧ, например 15 кГц. Изменяя значение R2 опять устанавливают минимальный уровень сигнала на выходе сумматора. Настройка закончена.

 

Рис.10. Схема вычитающего сумматора.

 

Методика расчета активных ФНЧ и ФВЧ

Радиолюбители сами могут рассчитать ФНЧ и ФВЧ на необходимую частоту среза, используя следующие выкладки.

Как показывает теория для фильтрации частот звукового диапазона необходимо применять фильтры Баттерворта не более второго или третьего порядка, обеспечивающие минимальную неравномерность в полосе пропускания.

Схема ФНЧ второго порядка представлена на рис. 11. Его расчет производится по формуле:

где a1=1.4142 и b1=1.0 — табличные коэффициенты, а С1 и С2 выбираются из соотношения C2/C1 больше равно 4xb1/a12, причем не следует выбирать отношение C2/C1 много большим правой части неравенства.

 

Рис.11. Схема ФНЧ Баттерворта 2-го порядка.

 

Схема ФВЧ второго порядка представлена на рис. 12. Его расчет производится по формулам:

 

где C=C1=C2 (задаются перед расчетом), а a1=1.4142 и b1=1.0 — те же табличные коэффициенты.

 

Рис.12. Схема ФВЧ Баттерворта 2-го порядка.

 

Специалисты МАСТЕР КИТ разработали и исследовали характеристики такого блока фильтров, обладающего максимальной функциональностью и минимальными габаритами, что является существенным при применении устройства в быту. Использование современной элементной базы позволило обеспечить максимальное качество разработке.

 

Технические характеристики блока фильтров

Напряжение питания, В	12…30
Ток потребления, мА	10
НЧ фильтр   Усиление в полосе пропускания, дБ   Затухание вне полосы пропускания, дБ/окт     Частота среза, Гц	0   12   300
ВЧ фильтр   Усиление в полосе пропускания, дБ   Затухание вне полосы пропускания, дБ/окт   Частота среза, Гц	0   12   3000
СЧ фильтр (полосовой)   Усиление в полосе пропускания, дБ   Затухание вне полосы пропускания, дБ/окт   Частоты среза, Гц	0   6   300, 3000
Размеры печатной платы, мм	61×42

 

Принципиальная электрическая схема активного фильтра показана на рис.13. Перечень элементов фильтра приведен в таблице.

Фильтр выполнен на четырех операционных усилителях. ОУ объединены в одном корпусе ИМС MC3403 (DA2). На DA1 (LM78L09) собран стабилизатор питающего напряжения с соответствующими фильтрующими емкостями: С1, С3 по входу и С4 по выходу. На резистивном делителе R2, R3 и конденсаторе С5 выполнена искусственная средняя точка.

На ОУ DA2.1 выполнен буферный каскад сопряжения выходного и входных сопротивлений источника сигнала и фильтров НЧ, ВЧ и СЧ. На ОУ DA2.2 собран фильтр НЧ, на ОУ DA2.3 — фильтр ВЧ. ОУ DA2.4 выполняет функцию формирователя полосового СЧ фильтра.

На контакты X3 и X4 подается напряжение питания, на контакты X1, X2 — входной сигнал. С контактов X5, X9 снимается отфильтрованный выходной сигнал для тракта НЧ; с X6, X8 – ВЧ и с X7, X10 – СЧ трактов соответственно.

Рис.13. Схема электрическая принципиальная активного трехполосного фильтра

 

 

Перечень элементов активного трехполосного фильтра

Позиция	Наименование	Примечание	Кол.
С1, С4	0,1 мкФ	Обозначение 104	2
C2, С10, C11, C12, C13, C14, C15	0,47 мкФ	Обозначение 474	7
С3, C5	220 мкФ/16 В	Замена 220 мкФ/25 В	2
С6, C8	1000 пФ	Обозначение 102	2
С7	22 нФ	Обозначение 223	1
С9	10 нФ	Обозначение 103	1
DA1	78L09		1
DA1	MC3403	Замена LM324, LM2902	1
R1…R3	10 кОм		3
R8…R12	10 кОм	Допуск не более 1%*	5
R4…R6	39 кОм		3
R7	75 кОм	—	1
Колодка DIP-14			1
Штыревой разъем		2-х контактный	2
Штыревой разъем		3-х контактный	2

 

Внешний вид фильтра показан на рис.14, печатная плата – на рис.15, расположение элементов – на рис.16.

Конструктивно фильтр выполнен на печатной плате из фольгированного стеклотекстолита. Конструкция предусматривает установку платы в стандартный корпус BOX-Z24A, для этого предусмотрены монтажные отверстия по краям платы диаметром 4 и 8 мм. Плата в корпусе крепится двумя винтами-саморезами.

 

Рис.14. Внешний вид активного фильтра.

 

Рис.15. Печатная плата активного фильтра.

 

Рис.16. Расположение элементов на печатной плате активного фильтра.

 

Материал опубликован в журнале Радиосхема 2007`06.

 

Универсальный перестраиваемый активный фильтр с регулировкой частоты и добротности.

Полосовой фильтр, режекторный фильтр, фильтр нижних (ФНЧ) и верхних частот
(ФВЧ) в одном флаконе.

Хорошо, когда всё хорошо, и от фильтра требуется стабильная работа на фиксированной частоте при заданном параметре добротности. Такие схемотехнические решения мы подробно рассмотрели на предыдущей странице.
Иногда, однако, возникает необходимость построения такой схемы, в которой резонансную частоту, добротность и коэффициент передачи было бы можно настраивать независимо друг от друга. А если в качестве бонуса возникает возможность придавать полученному изделию АЧХ различных типов фильтров, то тут уже, как говорится, не устройство, а — сам себе и швец, и жнец, и в дуду игрец.

На Рис.1 приведена схема фильтра, удовлетворяющая этим требованиям. Важной особенностью схемы является то, что она в зависимости от того, какой выход используется, работает одновременно как селективный (полосовой), заграждающий (режекторный), фильтр нижних частот и фильтр верхних частот.

Рис.1

Расчёт элементов схемы следует производить исходя из простейших формул:
К_{передачи} = R₁/P₁ ;   Q_{(добротность)} = P₂/R₂ ;   F_{(частота)} = 1/(2*π*P₃*C₁) .

Частота среза/резонанса/режекции рассчитывается точно так же, как у простейших RC фильтров первого порядка. Для удобства перенесу сюда таблицу для расчёта этой частоты при фиксированных значениях сопротивления сдвоенного потенциометра Р3 и ёмкости конденсатора С1.

Теоретически, параметр добротности, при котором сохраняется устойчивость схемы без срыва в генерацию, может достигать 100. Однако повышение значения этого параметра выше единицы скорее важны для полосового и режекторного фильтров. У ФНЧ и ФВЧ при Q>1 изменяется форма АЧХ и они начинают приобретать свойства полосовых фильтров.
Продемонстрирую это утверждение диаграммами.

Рис.2

На Рис.2 сверху приведена АЧХ фильтра верхних частот с частотой среза 1кГц и добротностью, равной единице. Крутизна спада АЧХ этого фильтра в полосе подавления составляет — около 12 дБ/октаву, что эквивалентно фильтру Баттерворта 2-го порядка.

На Рис.2 снизу приведена АЧХ того же фильтра с добротностью, равной 10. Как можно увидеть, наряду с увеличением крутизны спада АЧХ, сама АЧХ напоминает нечто среднее между ФВЧ и ПФ.

И для сравнения на Рис.3 приведу АЧХ полосового фильтра при тех же самых значениях добротности

Рис.3

Ну вот, совсем другой коленкор! То, что доктор прописал, причём, для режекторного фильтра — картина будет несколько иной. На Рис.4 рассмотрим АЧХ РФ при тех же значениях добротности.

Рис.4

Здесь при увеличении параметра добротности, наряду с сужением полосы подавления, наблюдается и отчётливое снижение глубины режекции.

Вот такой он, северный олень — этот универсальный активный фильтр с регулировкой частоты и добротности.

На самом деле, данное схемотехническое решение является основой различных промышленных ИМС — программируемых универсальных фильтров. Они представляют собой устройства различных видов АЧХ и порядков (вплоть до 8-го), реализуемых за счёт последовательного включения каскадов, подобных описанному фильтру 2-го порядка.
Естественным образом, регулировка параметров ИМС ведётся не посредством вульгарного кручения переменных резисторов, а методом, основанном на периодической коммутации частотозадающих конденсаторов КМОП ключами и называемом в миру — методом коммутируемых (переключаемых) конденсаторов.

Но это уже другая песня и её мы исполним в другом гала-концерте, а на следующей странице перейдём к расчёту LC — фильтров.

 

Производство конденсаторных установок и поставка комплектации к УКРМ, УКМ-58, АУКРМ по всей РФ. Косинусные конденсаторы.

Анонс: Активный фильтр гармоник PQSine™ разработки TDK Electronics AG (EPCOS). Применение, пеимущества и недостатки активных фильтров гармоник PQSine™.

Активный фильтр гармоник PQSine™ для 3-фазных сетей с нейтралью и без с напряжением 380В, 480В и 690В переменного тока – сравнительно новая разработка TDK Electronics AG (до 1 октября 2018 года EPCOS AG) устройства для локализации источников гармонических возмущений спектра гармоник до 50-го порядка.

В моделях PQSine™ используется 32-разрядный DSP цифровой процессор с новым алгоритмом обработки — «selective drive control (SDC)», измерительные трансформаторы для регистрации изменений спектра и амплитуды токов в сети с нагрузкой, многоимпульсный ШИМ преобразователь – инвертор, генерирующий токи в противофазе токам нагрузки. Активные фильтры PQSine™ компактные настенного и напольного исполнения, построены по модульной системе с возможностью увеличения генерации от 25 A до 600 A, оборудованы портами Ethernet и MODBUS для интеграции с АСУ ТП или другими подсистемами Industrial Ethernet стандартов IEEE 802.3/IEEE 802.3u по IP протоколам связи, системой вентиляции, защиты и т.д.

В контроллере фильтров гармоник PQSine™ используются полупроводниковые цепи биполярных транзисторах с изолированным затвором БТИЗ (IGBT — Insulated Gate Bipolar Transistors), по факту определяющие показательное время реакции до 20 мкс, но и достаточно высокую стоимость устройства, из-за чего сам производитель рекомендует применять PQSine™ совместно с пассивными фильтрами, демпфирующими наиболее интенсивные гармоники 3, 5, 7 и 9 порядков.

Применение, преимущества и недостатки активных фильтров гармоник PQSine™.

Активные фильтры гармоник PQSine™ используются для локализации источников гармонических искажений – электроприводов на ШИМ преобразователях, электросварочного оборудования, дуговых, индукционных, СВЧ печей, машин, агрегатов разливки стали, центров обработки данных и т.п., где спектр интенсивных гармоник широкий, а для их подавления необходима быстрая реакция. Производитель говорит о возможности использования PQSine™ и для компенсации реактивной энергии (емкостной и индуктивной), однако в этом случае необходима большая мощность фильтра, что соответственно увеличит и без того немалую стоимость устройства.

Главным недостатком фильтраPQSine™, как и его аналогов на мировом и отечественном рынке является высокая цена, напрямую зависящая от мощности используемых IGBT транзисторов. Сопутствующим негативом преимуществ активного подавления гармонических искажений остается генерация гармоник самим ШИМ преобразователем-инвертором, а также сам факт «очистки» сети только выше места подключения фильтра.

Как и активные фильтры других производителей, PQSine™ построен на полупроводниковых цепях, но имеет трехуровневую топологию NPC, отличающуюся низкой пульсацией выходного токаи меньшими потерями в цепи, что позволяет подбирать фильтр меньшей мощности и, соответственно, цены. Вместе с тем, для экономически выгодной интеграции активных фильтров гармоник PQSine™ нужно уменьшить их мощность и цену, что реально, если:

• проектировать подключение активного фильтра максимально возможно ближе к нагрузке, генерирующей гармонические возмущения;
• использовать для подавления 3-й, 5-й, 7-й гармоник недорогие пассивные фильтры, а активный фильтр настраивать на гармоники более высокого порядка.

Активный входной фильтр гармоник VLT AAF 006

VLT® фильтр гармоник AHF 005/010 MCE

Активный фильтр работает аналогично микрофонам с шумоподавлением, которые отфильтровывают внешние звуки. Используя внешние трансформаторы тока, активные фильтры отслеживают ток питания, включая любые искажения. При поступлении этого сигнала система управления определяет требуемую компенсацию и создаёт модель для переключателей IGBT. Это создаёт путь низкого импеданса в фильтре и гармоники идут в фильтр вместо того, чтобы идти в направлении источника питания. Фильтр осуществляет текущую оценку и подавление гармоник в непрерывном режиме, чтобы посекундные или суточные колебания в нагрузке электростанции не влияли на производительнос

ть активного фильтра.
Вне зависимости от типа нагрузки, активные фильтры напрямую подсоединяются к трёхфазной сети. Фильтры могут работать вместе с другими фильтрами подавления гармоник, конденсаторными батареями и другим оборудованием, отслеживающим качество электроэнергии. При установке фильтров перед нелинейными нагрузками необходимо проверить, что они используют входные дроссели в цепи переменного тока.

Активный фильтр VLT® позволяет устанавливать трансформаторы тока как по направлению к источнику тока, так и по направлению к нагрузке.

Помимо уменьшения гармонических искажений активные фильтры VLT® компании Danfoss также:

■ динамически компенсируют колебания реактивной мощности

■ уравновешивают фазовые нагрузки

■ уменьшают мерцание освещения

■ гасят резонанс в сети

Благодаря малому времени отклика активного фильтра VLT®, он работает как устройство гашения резонансных колебаний и, таким образом, уменьшает вероятность отключений и остановки производства. Фильтр работает с максимально низкой частотой переключений для сокращения потерь коммутации IGBT. Это требует большей фильтрации от встроенной магнитной цепи LCL, и таким образом, основным источником тепловых выделений становятся не IGBT модули, а элементы LCL цепи, которые менее подвержены негативным эффектам при нагревании.

Активные фильтры гармоник. Принцип работы.

Active filters. Principle of operation.

Суть работы активного фильтра состоит в формировании тока с требуемой частотой, формой и углом фазового сдвига по отношению к напряжению сети. Этот ток носит в основном реактивный характер и создаётся статическим преобразователем.

Принципиальная схема силовой части активного фильтра (упрощенная)	Активный фильтр в шкафу напольного исполнения IP 54

Схема силовой части активного фильтра аналогична схеме модуля AFE (Active Front End) преобразователя частоты.

Программное обеспечение активного фильтра отвечает за формирование требуемого тока.

При компенсации реактивной мощности индуктивного характера это будет синусоидальный ток, «опережающий» по отношению к напряжению сети.

При компенсации реактивной мощности ёмкостного характера – ток фильтра будет отставать от напряжения.

При компенсации высших гармоник ток фильтра течёт в противофазе по отношению к току гармоник тех порядков, которые требуется устранить, и т.д.

Настройка (параметрирование) фильтра выполняется с панели местного управления или при помощи компьютера.

Главное меню панели местного управления активного фильтра	Экран текущих параметров панели местного управления активного фильтра

Активные фильтры чаще всего представляют собой законченные изделия, готовые к использованию после подключения силовой цепи и цепей от стандартных измерительных трансформаторов тока (с выходным током 0 – 5 А).

Активный фильтр в шкафу напольного исполнения IP 23	Блок активных фильтров на раме в помещении ГРЩ

В некоторых типах активных фильтров силовой модуль и модуль управления выполняются в отдельных конструктивах. Это позволяет реализовывать различные компоновочные решения.

Силовой преобразователь активного фильтра подключается в сети параллельно по отношению к электроприёмникам.

Схема включения активного фильтра в трехфазной сети (упрощенная).

Это дает возможность оптимизировать номинальный ток системы компенсации и обеспечить высокую надёжность электроустановки (по сравнению с решениями на базе пассивных фильтров). В случае неисправности силовой модуль активного фильтра отключается встроенной защитой и в дальнейшем не влияет на работу электроустановки.

Активные фильтры могут быть с воздушным и с водяным охлаждением.

Активный фильтр с водяным охлаждением.

Предложения Инженерного центра «АРТ».

Полный комплекс работ по созданию систем динамической компенсации на базе активных фильтров с воздушным и с водяным охлаждением.

Отправить запрос.

131U0176 DANFOSS DRIVES Расширенный активный фильтр 380-48..

Характеристика	Значение
ВИД ПРОДУКТА (ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ)	Глобальная (Стандартная)
ГРУППА ПРОДУКТОВ	(ААР) Расширенный Активный фильтр
VLT СЕРИИ	(005) фильтр 1-го поколения
ТЕКУЩИЙ РЕЙТИНГ	(A190) коррекция 190Amp
Фаза	(Т) трехфазный
НАПРЯЖЕНИЕ СЕТИ	(4) 380-480 В переменного тока
Корпус	(E5H) ІР54 гибрид
ФИЛЬТР РАДИОПОМЕХ	(Н2) помех класса А2
ТОРМОЗА — БЕЗОПАСНАЯ ОСТАНОВКА	(Х) без тормозного прерывателя
Дисплей	(Г) Графическая Панель Управления
ПОКРЫТИЕ ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ	(С) покрытием печатной платы
ВАРИАНТ СЕТИ	(7) взрыватель
АДАПТАЦИИ	(Х) Стандартные Кабельные Вводы
АДАПТАЦИЯ Б	(Х) нет адаптация
ВЫПУСК ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ	(Sxxx, где) последний выпуск СТД. УВ.
ЯЗЫК ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПАКЕТ	(Х) Стандартный Языковой Пакет
ВАРИАНТ	(Топор) нет вариантов
ВАРИАНТ Б	(ВХ) нет вариант Б
Параметры С0, МСО	(КФ) Активный фильтр гвардии
С1 варианты	(Х) не вариант С1
ВОЗМОЖНОСТЬ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ С	(ХХ) нет варианта программного обеспечения
ВАРИАНТ D	(ДХ) не вариант D
РАЗМЕР КАДРА	(Д9) Д9-Кадр
TYPECODE	AAF005A190T4E5Hh3XGC7XXSXXXXAX
TYPECODE ЧАСТЬ 2	BXCFXXXDX
КАТАЛОГ ТОВАРОВ	НЕ СМОТРЕТЬ
ОРИГИНАЛЬНОЙ МАТРИЦЫ ПРОДУКТА	(ЗППП) Стандартный Привод
РЕГИОН ПОСТАВЩИКА	Не Может Определить Регион
Поставщик	Не Может Определить Поставщика

Высококлассный и профессиональный активный фильтр гармоник Certified Products

О продукте и поставщиках:

Alibaba.com предлагает вам множество отличных высококачественных, эффективных и надежных. активный фильтр гармоник для различных типов использования электроники и распределения энергии. Эти оптимальные стандарты. активный фильтр гармоник обладают надежными качествами и могут быть приобретены по самым доступным ценам у ведущих поставщиков и оптовиков на сайте. Эти продукты не только используются в различных промышленных целях, на электростанциях, но также предлагают функциональные возможности в жилых помещениях. Эти. активный фильтр гармоник обеспечивают надежность и эффективность при выполнении электрических операций. 
Различные варианты. активный фильтр гармоник, представленные на сайте, изготовлены из прочных и высококачественных материалов, таких как АБС-пластик, стеклопластик, металл, бетон, которые обеспечивают устойчивость на протяжении многих лет. Файл. активный фильтр гармоник, предлагаемые на сайте, идеально подходят как для внутреннего, так и для наружного использования со степенью защиты IP30, IP60. Невероятный. Доступные здесь активный фильтр гармоник сертифицированы, протестированы и проверены для использования в системах распределения большой мощности, например, на электростанциях. 
Alibaba.com предлагает вам широкий выбор. активный фильтр гармоник на основе требований и выбранной модели. Эти. Диапазон активный фильтр гармоник от компактных распределительных коробок подстанций, опор электропередачи, рельсов для электрических кабелей до конденсаторов, распределительных коробок MCB, водонепроницаемых сценических фонарей и многого другого. Файл. активный фильтр гармоник, предлагаемые на сайте, являются водонепроницаемыми, противоударными, герметичными, антикоррозийными, антикоррозийными и энергосберегающими для оптимальной работы. 
Изучите широкий спектр. активный фильтр гармоник предлагает на Alibaba.com покупать эти продукты в рамках вашего бюджета и экономить деньги. Эти продукты имеют сертификаты ISO, CE, ROHS и доступны с настраиваемыми опциями. Вы также можете заказать установку на месте и послепродажное обслуживание опытными инженерами.

Разница между активным и пассивным фильтром (со сравнительной таблицей)

Основное различие между активным и пассивным фильтрами заключается в том, что в активном фильтре для фильтрации электронных сигналов используются активные компоненты, такие как транзистор и операционный усилитель . В отличие от этого, пассивный фильтр использует пассивные компоненты, такие как резистор , катушка индуктивности и конденсатор , для генерации сигнала определенной полосы.

Еще одно важное различие между ними состоит в том, что активному фильтру для работы необходим внешний источник питания.В то время как в случае пассивных фильтров внешний источник не требуется.

Мы знаем, что фильтры — это схемы, которые могут пропускать через них определенный частотный диапазон, отклоняя другие частоты за пределами диапазона. Схемы фильтров в основном демонстрируют свойство частотной избирательности . Мы обсудим еще несколько различий между ними.

Содержимое: активный фильтр против пассивного

1. Сравнительная таблица
2. Определение
3. Ключевые отличия
4. Заключение

Сравнительная таблица

Основа для сравнения	Активный фильтр	Пассивный фильтр
Состоит из	активных компонентов, таких как операционный усилитель, транзистор и т. Д.	Пассивные компоненты, такие как резистор, катушка индуктивности, конденсатор и т. Д.
Стоимость	Высокая	Сравнительно низкая.
Сложность схемы	Более сложная	Менее сложная, чем активный фильтр.
Вес	Низкий	Сравнительно более крупный из-за наличия индукторов.
Q-фактор	Высокий	Очень низкий по сравнению с активными фильтрами.
Внешний источник питания	Требуется	Не требуется
Чувствительность	Более чувствительная	Сравнительно менее чувствительная.

Определение активного фильтра

Активные фильтры — это схемы фильтров, в которых в качестве основных компонентов используются транзистор и операционный усилитель. Наряду с этими элементами схемы активных фильтров содержат резистор и конденсатор, но не катушки индуктивности.

Мы знаем, что фильтр обладает свойством частотной избирательности. Таким образом, в схемах активного фильтра используются транзистор и операционный усилитель, чтобы пропускать только избранную полосу частот, ослабляя остальную частоту.

На рисунке ниже показан пример схемы активного фильтра:

В случае активных фильтров, чтобы сформировать требуемую характеристику фильтра, выполняется соединение операционного усилителя, интегратора, инвертора и т. Д. С резистором и конденсатором.

Обычно операционный усилитель в схеме используется в виде интегральной схемы. Таким образом обеспечивается небольшой размер и меньшая громоздкость. Мы знаем, что операционный усилитель обеспечивает высокое входное сопротивление и низкое выходное сопротивление. Таким образом, такие активные фильтры устраняют эффект нагрузки в источнике и нагрузке.

Но активные компоненты имеют конечную полосу пропускания, поэтому иногда это приводит к затруднениям в работе с высокочастотным сигналом. Кроме того, необходимость во внешнем источнике постоянного тока присутствует в случае активного фильтрующего блока, потому что он не может забирать движущую мощность от сигнала на его входе.

Определение пассивного фильтра

Пассивные фильтры — это схемы фильтров, в которых в качестве основных компонентов используются только резистор, катушка индуктивности и конденсатор. Поскольку в нем нет усилительного элемента, пассивные фильтры обеспечивают низкий коэффициент усиления сигнала. Это приводит к получению на выходе схемы фильтра сравнительно более низкого сигнала, чем подаваемый входной сигнал.

Взглянем на схему пассивного фильтра:

Для радиочастотного диапазона пассивные фильтры обеспечивают хороший отклик.Но наличие индуктора в цепи создает проблемы в низкочастотных приложениях. Как и в случае низких частот, индуктивность катушки индуктивности должна быть увеличена, что в конечном итоге потребует большего количества витков в катушке.

Ниже диапазона РЧ как входное, так и выходное сопротивление пассивных фильтров создают проблему. Таким образом, они не очень подходят для низкочастотных операций. По сути, разрешенная и ограниченная полоса частот формирует классификацию фильтров.

Итак, если сеть RLC пропускает только нижнюю полосу частот, то известно, что это фильтр нижних частот. Точно так же, если фильтр ослабляет нижнюю полосу частот и пропускает более высокую полосу частот, то это фильтр верхних частот.

Ключевые различия между активным и пассивным фильтром

1. Активные фильтры дороги из-за наличия активных компонентов. Однако невысокая стоимость пассивных фильтров является результатом наличия в нем пассивных компонентов.
2. Схема Ориентация активных фильтров довольно сложна. В то время как сравнительно пассивные фильтры имеют менее сложную схему.
3. Активные фильтры имеют высокое значение добротности по сравнению с пассивными фильтрами.
4. Активным фильтрам требуется внешнего источника питания для работы схемы. Но пассивные фильтры не требуют внешнего источника энергии, потому что они управляют энергией для своей работы от приложенного входного сигнала.
5. Поскольку индуктор является основным компонентом пассивных фильтров, он создает проблемы на низких частотах. Таким образом, пассивные фильтры подходят для работы в радиочастотном диапазоне. В то время как активные фильтры обеспечивают лучший отклик на низких частотах.
6. Вес активных фильтров невелик, тогда как для пассивных фильтров он сравнительно высок.
7. Активные компоненты обладают большей чувствительностью к температурным изменениям. Однако пассивные компоненты относительно менее чувствительны к ним.

Заключение

Итак, можно сделать вывод, что как активные, так и пассивные фильтры имеют свою зону действия. Но активные фильтры используются больше, чем пассивные фильтры, как в области связи и обработки сигналов.

Измерительные активные и пассивные фильтры

Обычное обоснование использования фильтра в электронных схемах состоит в том, чтобы исключить нежелательные части спектра или, по крайней мере, уменьшить их амплитуды до приемлемых уровней без ослабления желаемой частоты или диапазона частот.

В некоторых ситуациях для выполнения этой функции требуются активные фильтры, и часто они дешевле, чем альтернативные решения, включающие неуклюжие старые катушки индуктивности. Что касается их предполагаемого назначения, электронные фильтры классифицируются в зависимости от конкретной части спектра, которую они пропускают или отклоняют. Слова очевидны: высокочастотный, низкочастотный, полосовой, полосовой (включая отклонение полосы и режектор) и всепроход.

Электронные фильтры могут быть пассивными или активными, дискретными (дискретное время) или непрерывным временем, линейными или нелинейными, и их также можно охарактеризовать как бесконечный импульсный отклик (БИХ) и конечный импульсный отклик (КИХ).Большинство аналоговых электронных фильтров относятся к разновидности IIR, тогда как цифровые фильтры могут попадать в любую категорию. БИХ-фильтры имеют импульсную характеристику, которая никогда не равна нулю. КИХ-фильтр, напротив, фактически уменьшается до нуля через определенный интервал времени. Если фильтр содержит только резисторы и конденсаторы, катушки индуктивности или и то, и другое, скорее всего, это БИХ-фильтр. Но если фильтр содержит линию задержки с отводом без обратной связи, это разновидность КИХ.

Теоретически аналоговые фильтры с конденсаторами и / или индукторами никогда не обесточиваются полностью, и по этой причине можно сказать, что они имеют память, тогда как цифровой фильтр с отводной линией задержки обычно стремится к нулю, поскольку исходный импульс достигает конец отводной линии задержки и перестает существовать.Понятие памяти не применимо.

Пассивные фильтры построены с использованием только пассивных компонентов — резисторов, конденсаторов и катушек индуктивности. Это дает им хорошие высокочастотные характеристики и, по сравнению с активными фильтрами, более высокую устойчивость к напряжению и току, а также пониженный уровень шума. В пассивном фильтре нижних частот конденсатор (ы) размещены параллельно с входом и выходом, а катушка индуктивности (если есть) установлена ​​последовательно. В фильтре верхних частот конденсатор (ы) размещены последовательно с входом и выходом, а катушка индуктивности (если есть) установлена ​​параллельно.

Активные фильтры имеют определенные преимущества по сравнению с пассивными версиями, в том числе способность обеспечивать усиление сигнала, более высокие входные и более низкие выходные импедансы, отсутствие необходимости в буферных усилителях и меньшая зависимость от катушек индуктивности, что увеличивает расходы.

Большинство электронных фильтров являются линейными. В аналоговой электронике это означает, что изменяющийся во времени входной сигнал будет давать выходной сигнал, который также изменяется во времени и зависит от одного или нескольких факторов, но не зависит от экспоненциальной зависимости. Критическим аспектом является частотная характеристика, представленная передаточной функцией, H (ω).

Активность фильтра в частотной области математически определяется как его передаточная функция. Это отношение преобразований Лапласа выходных и входных сигналов. Передаточная функция напряжения фильтра равна H = V _OUT / V _IN , где V обозначает напряжение сигнала.

При рассмотрении входного и выходного напряжения эта передаточная функция определяет поведение фильтра, особенно когда вход (и, следовательно, выход) является синусоидальной волной. Амплитуда передаточной функции как функция частоты может отображаться на осциллографе или анализаторе спектра в частотной области.Дисплей отображает усиление на каждой частоте, так что можно определить амплитудную характеристику или, как это известно в звуковых приложениях, частотную характеристику.

Активный фильтр отличает использование одного или нескольких активных компонентов, таких как операционный усилитель. Добавление усилителя, обычно с отрицательной обратной связью, существенно меняет поведение фильтра, улучшая его стабильность и устраняя дорогостоящие катушки индуктивности. Более того, активный фильтр с высоким входным и низким выходным сопротивлением обеспечивает более эффективное взаимодействие с предыдущим и последующим каскадами.Сам активный фильтр не подвержен чрезмерной нагрузке.

Еще одно преимущество активного фильтра состоит в том, что некоторые параметры можно изменять с помощью недорогих переменных резисторов. Q (добротность) и настраиваемая частота может быть легко отрегулирована. В электрических системах, примером которых является активный фильтр, Q представляет эффект электрического сопротивления, поэтому его можно легко отрегулировать. Более высокий Q будет проявляться как более острый пик, в анализаторе спектра или осциллографе в режиме БПФ проявляться как более узкий пик.Полоса пропускания меньше, что в фильтре на нормальных частотах является хорошим качеством. Обратной стороной, однако, является то, что с ограниченной полосой пропускания активные фильтры испытывают трудности в высокочастотной среде. Кроме того, усилительные каскады имеют ограниченные возможности управления мощностью.

Передаточные функции в активных фильтрах такие же, как и в пассивных фильтрах: верхних частот, нижних частот, полосовых и режекторных. Основные типы активных фильтров:

• Фильтры Саллена-Ки и регулируемые напряжением источники напряжения (VCVS), включающие усилители с единичным усилением, с почти бесконечным входным сопротивлением и нулевым выходным сопротивлением.Вариантом VCVS является активный фильтр Саллена-Ки, который использует чистый буфер с единичным усилением (0 дБ). В обоих этих фильтрах обычно используются операционные усилители.
• Переменные состояния и биквадратные фильтры, состоящие из одного или нескольких интеграторов в конфигурации обратной связи.
• Полосовые фильтры с двумя усилителями.
• Фильтры Вина Notch.
• Множественные фильтры обратной связи с передаточной функцией, имеющей два дополнительных полюса.
• Фильтры Flieg с двумя операционными усилителями и превосходной регулируемой частотой.
• Фильтры Акерберга-Моссберга, отличающиеся полным контролем над усилением и частотой.

Активные фильтры с операционными усилителями способны воспроизводить любой тип пассивного фильтра, не обремененный индукторами, нелинейностью, восприимчивостью к магнитным наводкам и распределенной емкостью обмоток. Возможность электронной настройки — ценный актив.

Другой подтип активного фильтра — это фильтр с переключаемыми конденсаторами. Включены переключатели MOSFET, представляющие собой резистор с перестраиваемой частотой.Применяется внешняя тактовая частота, что обеспечивает точную настройку в широком диапазоне. Однако есть два недостатка — наличие шума переключения и меньший динамический диапазон.

Фильтры могут быть описаны в терминах качества частотной области или временной области. Обычно мы думаем об усилении применительно к твердотельным или ламповым усилителям, но об усилении уместно говорить также в контексте фильтров, как пассивных, так и активных. В частотной области очевидное, что нужно искать в фильтре, — это амплитуда выходного сигнала выше амплитуды входного сигнала, т.е.е. усиление относительно частоты. Часть спектра, на которую фильтр минимально влияет, — это полоса пропускания. Для большинства фильтров полоса пропускания определяется как расширяющаяся до -3 дБ.

Отображение частотной области на анализаторе спектра или осциллографе в режиме БПФ также показывает фазовый сдвиг выходного сигнала фильтра относительно его входа. (Всепроходный фильтр пропускает все частоты одинаково, но сдвигает фазовое соотношение на разных частотах, изменяя фазовый сдвиг в зависимости от частоты.)

Типичный вызывной сигнал, который может возникнуть при прохождении ступенчатого входа через фильтр нижних частот.

Отображение фильтра во временной области может отображать время перерегулирования, звонка, нарастания и установления. Некоторые из этих аспектов поведения фильтра могут быть вредными для определенных приложений. В любом случае поучительно просматривать как во временной, так и в частотной области в отдельных каналах входные и выходные данные различных фильтров по мере того, как применяется выбор сигналов.

С помощью осциллографа можно также увидеть пропускную и отсечную характеристики фильтра.Для этого мы измеряем амплитуду сигнала, входящего в фильтр и выходящего. Частота среза — это точка 3 дБ для многих простых конструкций фильтров. Точка 3 дБ — это место, где мощность падает в два раза. Поскольку осциллограф отображает напряжение, а не мощность, это означает, что в этой точке напряжение должно быть на коэффициент sqrt (2) = ~ 1,41 ниже. Половина выходного напряжения составит 6 дБ.

Частоты ниже частоты среза в фильтре высоких частот не исключаются, а все больше ослабляются для частот ниже среза.Частота среза (иногда также называемая угловой частотой) определяет точку, в которой входная мощность уменьшается на 3 дБ. Пример здесь — спад на 6 дБ за декаду. Конечно, возможны более резкие спуски.

Многие цифровые осциллографы также могут рассчитывать изменение напряжения в дБ. Если источником входного сигнала фильтра является генератор частоты, может быть целесообразно развернуть входную частоту, скажем, в течение 10 секунд, а затем установить осциллограф на временной развертке, которая генерирует полный экран в течение 10 секунд.Результатом будет частотно-амплитудный график, для которого должны быть очевидны точки 3 дБ, 6 дБ или 20 дБ.

Руководство по выбору активных фильтров

: типы, функции, приложения

Активные фильтры — это электронные фильтры, в которых используются активные компоненты, такие как усилители. Их выход не ослабляется относительно входного напряжения. Усилитель — обычно операционный усилитель — обеспечивает механизм обратной связи от выхода ко входу. Это, в свою очередь, обеспечивает стабильность для любой частоты сигнала и позволяет более широкий выбор частотных характеристик и поведения во временной области.

Теоретически, любая активная конструкция фильтра может быть воспроизведена как пассивный фильтр. Однако важным преимуществом использования активных фильтров является то, что механизм обратной связи, обеспечиваемый усилителем, позволяет создавать фильтры с воображаемыми полюсами, используя только конденсаторы и резисторы. Без обратной связи для фильтра с воображаемыми полюсами потребуются конденсаторы и катушки индуктивности. Фильтр без индуктора идеален, потому что индукторы склонны улавливать нежелательные сигналы из-за паразитных магнитных полей; они также громоздкие и дорогие.С обратной связью также можно использовать конденсаторы меньшей емкости. Активный фильтр часто уменьшает все значения компонентов, позволяя производить более мелкие и менее дорогие фильтры.

Схема активного фильтра нижних частот, показывающая использование резисторов, конденсаторов и усилителя.

Однако активные фильтры также имеют недостатки по сравнению с пассивными конструкциями:

• Значения конденсаторов : Конденсаторы могут иметь те же проблемы с величиной и расстоянием, которые влияют на индуктивности в пассивных фильтрах, хотя и в меньшей степени.Стандартные номиналы конденсаторов часто сильно разнесены, что делает практически невозможными стандартные решения для приложений, требующих высокой точности. Для конструкций, предназначенных для точных применений, в условиях ограниченного пространства или высоких ценностей, конденсаторы могут быть чрезмерно дорогими.
• Power : Активным фильтрам требуется источник питания для управления компонентами усилителя.
• Шум : Активные фильтры вносят шум в систему, хотя это можно исправить с помощью малошумящих усилителей.
• Диапазон частот : Активные фильтры имеют ограниченную полосу пропускания и часто не работают на высоких частотах.

Подробную информацию о теории и конструкции электронных фильтров см. В Руководстве по спецификациям электронных фильтров.

Типы

Фильтры сгруппированы и указаны в соответствии с типом частот, которые они подавляют или ослабляют. Ниже перечислены четыре распространенные классификации фильтров.

• Фильтры нижних частот ослабляют или подавляют сигналы выше определенной частоты среза.Например, фильтр нижних частот (ФНЧ) с частотой среза 50 Гц может устранить шум с частотой 70 Гц.
• Фильтры верхних частот подавляют или ослабляют сигналы с частотами ниже определенной частоты, также называемыми пороговой или критической частотой. Например, фильтр высоких частот (HPF) с частотой среза 100 Гц может быть использован для подавления нежелательного постоянного напряжения в системах усилителя, если это необходимо.
• Полосовые фильтры используются в теле- и радиосхемах.Они ослабляют или подавляют сигналы с частотами за пределами полосы частот.
• Подавление полосы или режекторные фильтры ослабляют или подавляют сигналы с диапазоном частот, например 50–150 Гц.

Характеристики отклика

Частотная характеристика любого фильтра может быть спроектирована путем правильного выбора компонентов схемы. Характеристики фильтра определяются формой кривой частотной характеристики, и фильтры можно классифицировать как:

• Фильтры Бесселя имеют полосу пропускания, которая максимизирует групповую задержку на нулевой частоте, вызывая постоянную групповую задержку в полосе пропускания.Групповая задержка — это измерение времени, которое требуется сигналу для перемещения между двумя точками в сети. Постоянная групповая задержка в полосе пропускания фильтра означает, что сигналы в полосе пропускания имеют одинаковую временную задержку. Этот факт важен во многих приложениях, особенно в аудио-, видео- и радиолокационных приложениях.
• Фильтры Баттерворта спроектированы так, чтобы частотная характеристика в полосе пропускания была ровной.
• Фильтры Чебышева имеют очень крутой спад, но имеют рябь в полосе пропускания.
• Эллиптические фильтры демонстрируют выравниваемую пульсацию как в полосе пропускания, так и в полосе задерживания.
• Гауссовские фильтры не производят выброса в ответ на входной скачок. Они оптимизируют время подъема и спада.
• Фильтры Лежандра предназначены для получения максимальной скорости спада для заданного порядка и плоской частотной характеристики полосы пропускания.

Ссылки и ресурсы

Схемы сегодня — активные и пассивные фильтры

National Semiconductor — Базовое знакомство с фильтрами: активными, пассивными и переключаемыми конденсаторами

Texas Instruments — методы проектирования активных фильтров

Разница между активными и пассивными фильтрами

Здесь мы хотим обсудить разницу между активными и пассивными фильтрами.Во-первых, давайте взглянем на определение фильтра.

Фильтр — это схема, которая изменяет амплитуду и фазу входного сигнала и соответственно генерирует выходной сигнал. Он фильтрует или снижает некоторые частоты и передает некоторые из них. Таким образом, он производит различные ослабления на разных частотах. У нас есть два типа фильтров в зависимости от их компонентов конструкции: активный фильтр и пассивный фильтр.

Теперь мы представляем определение каждого типа, их применение, плюсы и минусы, и, наконец, мы демонстрируем разницу между активными и пассивными фильтрами.

Активный фильтр

Активные фильтры — это схемы фильтров, в которых в качестве основных компонентов используются транзистор и операционный усилитель. В схемах активных фильтров, помимо этих компонентов, есть еще конденсаторы и резисторы, но нет катушек индуктивности.

Мы знаем, что фильтр обладает свойством частотной избирательности. Следовательно, в схемах активных фильтров используются операционный усилитель и транзистор, чтобы пропускать только селективную полосу частот, ослабляя при этом другую часть частоты.

На следующем рисунке показан пример схемы с активным фильтром:

Схема активного фильтра (ссылка: circuitglobe.com)

В примере активных фильтров, чтобы создать важную характеристику фильтра, соединение интегратор, операционный усилитель, инвертор и т. д. с конденсатором и резистором.

Обычно операционный усилитель в схеме применяется в интегральной модели. Поэтому гарантируем небольшие размеры и меньшую массивность. Мы знаем, что операционный усилитель предлагает низкий выходной импеданс и высокий входной импеданс.Следовательно, такие активные фильтры уменьшают эффект нагрузки на нагрузке и источнике.

Хотя активные компоненты допускают ограниченную полосу пропускания. Иногда это вызывает трудности в работе высокочастотного сигнала. Кроме того, в случае активного фильтрующего блока необходим внешний источник постоянного тока, поскольку он не может получать питание от входного сигнала.

Применение активных фильтров

• Активные фильтры применяются в системе связи для преодоления шума, чтобы изолировать сигналы от различных каналов, чтобы улучшить уникальный сигнал сообщения от подчеркнутого сигнала.
• Эти фильтры используются разработчиками в измерительных системах для определения необходимого частотного устройства и отсоединения нежелательных.
• Активные фильтры могут применяться для ограничения полосы пропускания аналогового сигнала перед преобразованием их в цифровые сигналы.
• Активные фильтры присутствуют в аудиосистемах для передачи различных частот на различные динамики. Например, в музыкальной индустрии требуются приложения для записи и воспроизведения для управления частотными компонентами.
• Эти фильтры используются в биомедицинских устройствах для сопряжения психологических датчиков с диагностическим оборудованием и регистрации данных.

Преимущества активных фильтров

Некоторые из преимуществ активных фильтров:

• Отсутствие проблемы резонанса
• Они могут устранить любые гармоники
• Они используются для регулирования напряжения
• Их можно использовать для реактивной мощности компенсация
• Обеспечивают надежную работу

Недостатки активных фильтров

У активных фильтров есть некоторые недостатки, такие как:

• Они дорогие
• Они обеспечивают сложные системы управления.

Пассивный фильтр

Пассивные фильтры — это схемы фильтров, в которых в качестве основных компонентов используются только резистор, катушка индуктивности и конденсатор. Поскольку в нем нет усилительного элемента, пассивный фильтр обеспечивает низкий коэффициент усиления сигнала. Это приводит к приему на выходе схемы фильтра относительно слабого сигнала, чем подаваемый входной сигнал.

Чтобы понять разницу между активными и пассивными фильтрами, давайте взглянем на схему пассивного фильтра ниже:

Схема пассивного фильтра (ссылка: circuitglobe.com)

Для радиочастотного диапазона пассивные фильтры обеспечивают отличный отклик. Однако наличие катушки индуктивности в цепи создает некоторые трудности при работе с низкочастотными сигналами. Поскольку индуктивность катушки индуктивности должна быть увеличена в случае низких частот, в катушке требуется больше витков.

Ниже диапазона RF возникает проблема как с входным, так и с выходным сопротивлением пассивных фильтров. Следовательно, эти фильтры не подходят для низкочастотных приложений. По сути, диапазон разрешенных и ограниченных частот формирует классификацию фильтров.

Итак, если сеть RLC пропускает только нижнюю полосу частот, она классифицируется как фильтр нижних частот. Аналогично, если фильтр ослабляет полосу более низких частот и пропускает полосу более высоких частот, он классифицируется как фильтр верхних частот.

Применения пассивных фильтров

Пассивные фильтры имеют множество применений, например:

• Их можно использовать в фильтрах верхних частот, особенно в усилителях звука.
• Они также могут применяться в полосовых фильтрах при подавлении сигналов. на всех частотах выше и ниже этой полосы
• Они используются в полосовых полосовых фильтрах старых радио- и телевизионных приемников
• Они действуют как I.F. Трансформаторы, используемые в старых радио и телевизионных устройствах, пропускают полосу радиочастот от одной ступени усилителей промежуточной частоты (ПЧ).

Преимущества пассивных фильтров

Некоторые из преимуществ пассивных фильтров:

• Дешевизна
• Простая конструкция
• Надежность
• Высокая эффективность

Недостатки пассивных фильтров

Также есть некоторые минусы в пассивных фильтрах.Вот некоторые из них:

• Проблемы резонанса
• Настройка на фиксированную частоту
• Большой размер
• Фиксированная компенсация реактивной мощности

Принципиальная разница между активными и пассивными фильтрами

1. Активные фильтры дороги из-за наличия активные компоненты. С другой стороны, пассивные фильтры достаточно дешевы из-за наличия в них пассивных элементов.
2. Схема расположения активных фильтров довольно сложна.В то время как сравнительно пассивные фильтры имеют менее сложную схему.
3. Активные фильтры имеют более высокое значение добротности по сравнению с пассивными фильтрами.
4. Активным фильтрам для работы схемы необходим внешний источник питания. Тем не менее, пассивные фильтры не требуют внешних источников энергии, потому что они управляют энергией, необходимой для их работы, от приложенного входного сигнала.
5. Поскольку индуктор является ключевым компонентом пассивных фильтров и создает препятствия на низких частотах, пассивные фильтры подходят для работы в радиочастотном диапазоне.Напротив, активные фильтры обеспечивают лучший отклик на низких частотах.
6. Активные фильтры имеют небольшой вес, тогда как пассивные фильтры имеют сравнительно большой вес.
7. Активные фильтры обладают большей чувствительностью к перепадам температуры. Для сравнения, пассивные фильтры менее чувствительны к изменению температуры.

Основа для сравнения	Активный фильтр	Пассивный фильтр
Состоит из	активных компонентов, таких как транзистор, операционный усилитель и т. Д.	Пассивные компоненты, такие как индуктор, резистор, конденсатор и т. Д.
Стоимость	Сравнительно высокая	Относительно низкая.
Сложность схемы	Более сложная	Менее сложная, чем активный фильтр.
Вес	Относительно низкий	Относительно тяжелее из-за наличия индукторов.
Q-фактор	Высокий	Очень низкий по сравнению с активными фильтрами.
Внешний источник питания	Требуется	Не требуется
Чувствительность	Более чувствительный	Относительно менее чувствительный.

Активные фильтры | Фильтры низких и высоких частот

В этом руководстве мы вкратце узнаем о проектировании активных фильтров. В предыдущем уроке я обсудил все типы активных фильтров i.е. High Pass, Low Pass, Band Pass и Band Stop. Это руководство будет кратким изложением всех этих концепций отдельных фильтров.

Если вам нужна дополнительная информация об отдельных активных фильтрах, прочтите эти сообщения: « Активный фильтр высоких частот », « Активный фильтр низких частот », « Активный полосовой фильтр » и « Полосовой стоп-фильтр ».

Введение

Мы уже изучили пассивные RC-фильтры, такие как фильтры нижних, верхних частот и полосовые фильтры с использованием резисторов и конденсаторов.Основным недостатком этих пассивных фильтров является то, что выходной сигнал меньше по сравнению с входным сигналом, то есть коэффициент усиления сигнала никогда не превышает единицы, так что полное сопротивление нагрузки влияет на характеристики фильтра.

Выходной сигнал сильно затухает в многоступенчатых пассивных фильтрах. Лучший способ контролировать потерю сигнала — использовать усиление с помощью активных фильтров. Этот фильтр использует в своей конструкции активные компоненты, такие как транзисторы, полевые транзисторы (полевые транзисторы), операционные усилители.Эти фильтры потребляют внешнее питание от источника для усиления выходного сигнала.

Активный фильтр нижних частот

Перед тем, как познакомиться с активным фильтром нижних частот, ознакомьтесь с основами фильтров, пассивным фильтром нижних частот и частотной характеристикой, прочитав сообщение: Дизайн пассивного фильтра нижних частот .

Принципиальная схема активного фильтра нижних частот

Частотная характеристика активного фильтра нижних частот такая же, как и у пассивного фильтра нижних частот, за исключением амплитуды выходных сигналов.Коэффициент усиления по напряжению неинвертирующего операционного усилителя равен

.

AF = 1+ (R2 / R1)

Коэффициент усиления активного фильтра нижних частот равен

.

Av = Vout / Vin = AF / [√ (1+ (f / fc) ²)]

Где

• AF — усиление полосы пропускания (1+ R2 / R1)
• f — частота входного сигнала
• fc — частота среза

Примечание:

• На очень низких частотах f : Av = Vout / Vin ≅ AF
• На частоте среза f = fc : Av = Vout / Vin = AF / = 0.707 AF
• На очень высокой частоте, f> fc: Av = Vout / Vin

Активный фильтр высоких частот

Прежде чем изучать активный фильтр верхних частот, прочтите сообщение: Проектирование пассивного фильтра верхних частот и частотная характеристика .

Схема активного фильтра верхних частот

Простой активный фильтр верхних частот можно получить, подключив неинвертирующий или инвертирующий операционный усилитель к пассивной RC-цепи верхних частот.Частотная характеристика активного фильтра верхних частот такая же, как у пассивного фильтра нижних частот, за исключением того, что величина сигнала увеличивается на коэффициент усиления операционного усилителя.

В активном фильтре верхних частот полоса пропускания ограничена из-за характеристик разомкнутого контура операционного усилителя.

Коэффициент усиления активного фильтра верхних частот равен

.

Av = Vout / Vin = (AF ( f / fc)) / (√ [√ (1+ ( f / fc ) ²)]

Где

• AF — усиление полосы пропускания (1+ R2 / R1)
• f — частота входного сигнала
• fc — частота среза

Коэффициент усиления по напряжению в дБ определяется как

Av (дБ) = 20log ₁₀ (Vout / Vin)

-3 дБ = 20log ₁₀ (0.707 x Vout / Vin)

Для активного фильтра верхних частот первого порядка кривая частотной характеристики увеличивается со скоростью 20 дБ / декаду или 6 дБ / октава, пока не достигнет точки частоты среза. Как и в случае с пассивным фильтром, здесь также можно рассчитать частоту среза по формуле

.

fc = 1 / (2πRC)

В этом фильтре фазовый сдвиг или фазовый угол выходного сигнала опережает фазовый сдвиг входного сигнала. На частоте среза значение фазового угла равно + 45 °.Это значение можно рассчитать по следующей формуле.

Фазовый угол Ø = tan ^-1 (1 / (2πRC))

Мы можем разработать одноступенчатый активный фильтр верхних частот, также используя конфигурацию инвертирующего усилителя. Применение активных фильтров верхних частот такое же, как и у пассивных фильтров верхних частот.

Активный полосовой фильтр

Полосовой фильтр — это частотно-избирательный фильтр, используемый в электронных системах для разрешения определенной полосы или определенного диапазона частот.Этот диапазон частот устанавливается между двумя точками частоты среза ( f L, f H) .

Связанное сообщение: Проектирование и применение пассивных полосовых фильтров

Простой активный фильтр полосы пропускания можно легко спроектировать, комбинируя или каскадируя фильтр нижних частот с фильтром верхних частот, как показано ниже.

Принципиальная схема активного полосового фильтра

Каскадное соединение фильтра нижних частот и фильтра верхних частот дает фильтр с низким коэффициентом качества, который имеет широкую полосу пропускания.Первый каскад схемы (каскад фильтра верхних частот) блокирует очень низкочастотные сигналы, а каскад фильтра нижних частот блокирует очень высокочастотные сигналы.

Он производит относительно плоскую частотную характеристику полосы пропускания, в которой одна половина представляет отклик фильтра высоких частот, а другая половина представляет отклик фильтра низких частот, как показано ниже.

Частотная характеристика полосового фильтра

Верхняя частота среза f H и нижняя частота среза f L вычисляются с использованием уравнений частот среза фильтра нижних частот и верхних частот первого порядка .Схема усилителя обеспечивает изоляцию между двумя каскадами и увеличивает общий коэффициент усиления схемы.

Активный ограничитель полосы или фильтр отклонения полосы

Полосовой стоп-фильтр ослабляет только определенную полосу частот и разрешает все остальные частоты. Этот фильтр также называют фильтром исключения полосы. Они классифицируются как

.

1. Широкополосные режекторные фильтры
2. Узкополосные режекторные фильтры (Notch-фильтры).

Полоса пропускания широкополосного режекторного фильтра очень высока по сравнению с узкополосными фильтрами.

Узкополосный фильтр (режекторный фильтр) Принципиальная схема активного режекторного фильтра

Этот фильтр обычно используется для ослабления одиночной частоты. Основным звеном в этой цепи является сеть Twin-T. Он состоит из двух Т-сетей. Первая Т-сеть сделана из 2-х конденсаторов и резистора. Другая сеть Т сделана с 2 резисторами и конденсатором.

Узкополосные или режекторные фильтры обычно используются в биомедицинских инструментах и ​​средствах связи для удаления нежелательных частот.

Активный фильтр нижних частот: конструкция и применение

Что такое активный фильтр?

Активный фильтр — это тип фильтра, который включает в себя один или несколько компонентов активной схемы, таких как транзистор или операционный усилитель (операционный усилитель). Они получают свою энергию от внешнего источника энергии и используют ее для увеличения или усиления выходного сигнала.

Операционные усилители также могут использоваться для формирования или изменения частотной характеристики схемы, сужая или даже шире выходную полосу пропускания фильтра, создавая более избирательную реакцию на выходе.

Операционный усилитель имеет высокий входной импеданс, низкий выходной импеданс и коэффициент усиления по напряжению в контуре обратной связи, возникающий из-за смеси резисторов. Активные фильтры при тщательном проектировании схемы обеспечивают отличные рабочие характеристики, очень хорошую точность с крутым спадом и низким уровнем шума.

Общая схема активного фильтра

Что такое активный фильтр нижних частот?

Если активный фильтр разрешает только низкочастотные компоненты и запрещает все другие высокочастотные компоненты, то он называется активным фильтром нижних частот .Активные фильтры нижних частот состоят из операционного усилителя. На вход операционного усилителя поступают сигналы с высоким импедансом, которые на выходе создают сигнал с низким импедансом.

Характеристики усилителя играют очень важную роль при разработке активного фильтра нижних частот. Существует два основных типа активных фильтров нижних частот, а именно: переключаемый конденсаторный и непрерывный конденсаторный. Доступны фильтры от первого до восьмого порядка исполнения.

Частотная характеристика схемы будет такой же, как у пассивного RC-фильтра, за исключением того, что усиление по напряжению в полосе пропускания увеличивает амплитуду выходного сигнала.

Полоса пропускания начинается с 0 Гц или постоянного тока для фильтра нижних частот и продолжается на -3 дБ до назначенной точки отсечки. Сигналы ослабляются за пределами частоты среза. Активные фильтры нижних частот сгруппированы в соответствии с порядком расположения фильтров. Мы обсудим активные фильтры нижних частот порядка 1 ^st и 2 ^и .

Обратной стороной фильтра нижних частот является фильтр верхних частот, который пропускает сигналы с частотами выше частоты среза и блокирует все частоты ниже этой частоты среза.Существуют также полосовые фильтры, которые сочетают в себе функции фильтров нижних и верхних частот, чтобы пропускать только частоты в определенном частотном диапазоне.

Активный фильтр нижних частот первого порядка

Активный фильтр нижних частот первого порядка — это упрощенный фильтр, который состоит только из одного реактивного конденсатора компонента, сопровождаемого операционным усилителем активного компонента. Резистор используется с конденсатором или катушкой индуктивности для формирования RC или RL фильтра нижних частот соответственно.В пассивной схеме амплитуда выходного сигнала меньше амплитуды входного сигнала.

Для решения этой проблемы были введены активные схемы. Когда пассивный фильтр нижних частот подключен к операционному усилителю либо в инвертирующем, либо в неинвертирующем состоянии, это дает конструкцию активного фильтра нижних частот. Соединение простой RC-цепи с одним операционным усилителем показано на рисунке ниже. Активный фильтр нижних частот первого порядка с частотной характеристикой

Эта RC-схема помогает подавать низкочастотный сигнал на вход усилителя. .Усилитель работает как схема выходного буфера с единичным усилением. В этой схеме добавлено значение входного импеданса. Операционный усилитель схемы имеет очень низкое значение выходного импеданса, что помогает обеспечить высокую стабильность фильтра.

По сравнению с пассивным фильтром, активный фильтр имеет конструкцию, в которой усилитель выполнен в виде повторителя напряжения (буфера), который дает коэффициент усиления по постоянному току, равный единице. Эта конфигурация обеспечивает отличную стабильность фильтра и имеет высокий коэффициент усиления по мощности. Основным недостатком этого фильтра является то, что он не имеет коэффициента усиления по напряжению выше единицы, который можно исправить с помощью дополнительных схем.

Схема активного фильтра нижних частот

Активный фильтр нижних частот первого порядка с усилением

Как обсуждалось выше, конструкция фильтра не обеспечивает усиление напряжения выше единицы. Следовательно, нам нужно изменить схему, как показано ниже.

Активный фильтр нижних частот с усилением

На более низких частотах входные сигналы проходят непосредственно через схему усиления. Когда частота входной частоты увеличивается, она пропускается и проходит через конденсатор C. Это увеличивает амплитуду выходного сигнала за счет усиления полосы пропускания.

В конфигурации схемы неинвертирующего усилителя измерение коэффициента усиления по напряжению для фильтра задается как отношение резистора обратной связи (R ₂ ) к значению соответствующего входного резистора (R ₃ ).

Инвертированная конфигурация активного фильтра нижних частот первого порядка

Инвертирующий фильтр нижних частот разработан с использованием IC741, операционного усилителя с 8-контактной конфигурацией. В инвертирующем режиме выходной сигнал операционного усилителя сдвинут по фазе на 180 градусов с входным сигналом.Первоначально операционный усилитель должен быть запитан постоянным током. Величина мощности постоянного тока будет зависеть от того, насколько большой сигнал будет усилен на выходе.

Выходной сигнал — сигнал переменного тока, имеющий пиковое значение. В этом примере мы собираемся разработать схему с коэффициентом усиления 10, поэтому напряжение питания 12 В постоянного тока подается на V ⁺ , вывод 7 операционного усилителя и -12 В постоянного тока подается на V ^— контакт 4. операционного усилителя. Это называется конфигурацией инвертированного операционного усилителя, и выходной сигнал будет инвертирован, чем входной.

Конфигурация инвертирующего усилителя

Неинвертированная конфигурация активного фильтра нижних частот первого порядка

В этой конфигурации также используется операционный усилитель IC741. Но здесь входной и выходной сигнал будут синфазными. RC, который формирует часть фильтра нижних частот, является первой половиной схемы.

Затем сигнал проходит через операционный усилитель, где сигнал усиливается за счет усиления напряжения, пропорционального резисторам R2 и R1. В этой конфигурации внешний импеданс не влияет на реактивное сопротивление конденсатора , таким образом повышается стабильность .

Неинвертирующая конфигурация

Коэффициент усиления по напряжению фильтра нижних частот первого порядка

Частотные составляющие используются для получения коэффициента усиления по напряжению фильтра.

где,

В _в — входное напряжение
В _вых — выходное напряжение
А _f — коэффициент усиления полосы пропускания фильтра (1 + R ₂ / R ₁ )
f — частота входного сигнала в герцах
f _c — частота среза в герцах

При увеличении частоты коэффициент усиления уменьшается на 20 дБ.Работу активного фильтра нижних частот можно проверить из приведенного выше уравнения частотного усиления. Пусть f — рабочая частота, а f _c — частота среза.

На низкой частоте

Когда рабочая частота равна частоте среза

А на высокой частоте

Из приведенных выше уравнений видно, что на низких частотах коэффициент усиления схемы равен максимальное значение усиления.В то время как в условиях высоких частот коэффициент усиления схемы намного меньше максимального коэффициента усиления Af. Когда рабочая частота равна частоте среза, коэффициент усиления равен 0,707 Af. В этих схемах фильтров количественное значение (величина) усиления полосы пропускания выражается в децибелах или дБ , которые являются функцией усиления по напряжению.

Кривая частотной характеристики

Передаточная функция активных фильтров нижних частот первого порядка

Передаточная функция также известна как системная функция или сетевая функция системы управления.Он выражается математической функцией. При использовании в анализе системы в частотной области он использует методы преобразования, такие как преобразование Лапласа. Фильтры работают по частоте сигнала.

Таким образом, аналитические и графические описания с использованием частотной области являются наиболее действенными инструментами для описания работы фильтров. Таким образом, обычно используются уравнения частотной области и кривые зависимости усиления от частоты и фазы от частоты.

Для изучения частотной области сетей требуется их математическое описание в терминах передаточной функции системы.Передаточная функция напряжения — это пропорция преобразований Лапласа выходных и входных сигналов для конкретной схемы, как показано ниже.

Блок-схема передаточной функции

Где V0 (s) и Vi (s) — выходное и входное напряжения, а s — переменная комплексного преобразования Лапласа.

Однополюсный фильтр нижних частот разработан для низкочастотных приложений путем подключения резистора и конденсатора, как показано ниже.

Схема передаточной функции

Передаточная функция вышеуказанной схемы может быть задана как

Теперь, в приведенном выше уравнении, константы Лапласа заменены их эквивалентным значением в частотной области.

Абсолютное значение передаточной функции определяется как величина или усиление напряжения и может быть представлено, как показано ниже.

Частота, при которой сопротивление равно импедансу конденсатора, считается равной критическая частота, которая указана ниже.

Следовательно,

После правильной подстановки в это уравнение мы получаем

Фазовый сдвиг фильтра равен

Можно вычислить частоту среза и фазовый сдвиг фильтра. как показано ниже

Аналогичная конфигурация фильтра может быть получена для n-го порядка, когда RC-каскады соединены каскадом вместе.

Разработка и пример активного фильтра нижних частот первого порядка

Разработка схемы неинвертирующего активного фильтра нижних частот с коэффициентом усиления десять на низких частотах, высокочастотной отсечкой или угловой частотой 175 Гц и входным сопротивлением 20 кОм.

Коэффициент усиления по напряжению неинвертирующего усилителя равен

Теперь предположим, что значение R1 равно 1 кОм, и вычислим значение R2 из приведенного выше уравнения.

Следовательно, для коэффициента усиления по напряжению 10 значения R1 и R2 равны 1 кОм и 9 кОм соответственно.Коэффициент усиления в дБ задается как 20LogA = 20Log10 = 20 дБ

Теперь нам дано значение частоты среза, равное 175 Гц, и значение входного импеданса, равное 20 кОм. Подставляя эти значения в уравнение, и значение C можно рассчитать следующим образом.

= 45,47 нФ

Таким образом, окончательная конструкция фильтра и его эквивалентная кривая частотной характеристики показаны ниже.

Схема активного фильтра нижних частот

Типичная схема активного фильтра нижних частот приведена ниже:

Конструкция схемы

Кривая частотной характеристики активного фильтра нижних частот

Кривая частотной характеристики активного фильтра нижних частот приведена ниже:

Частотная характеристика проблемы

Фильтр неинвертирующего усилителя

Ниже приведен простой неинвертирующий фильтр усилителя:

Неинвертирующая схема для решения проблемы

Фильтр инвертирующего усилителя

Ниже приведен эквивалентный фильтр инвертирующего усилителя:

Эквивалентный инвертирующий Схема для решения проблемы

Активный фильтр нижних частот второго порядка

Фильтры второго порядка также относятся к фильтрам VCVS, поскольку используемый здесь операционный усилитель является усилителем источника напряжения с регулируемым напряжением.Это еще один важный тип активных фильтров, используемых в приложениях.

Частотная характеристика фильтра нижних частот второго порядка неотличима от частотной характеристики фильтра первого порядка, за исключением того, что спад полосы задерживания будет в два раза больше, чем у фильтров первого порядка при 40 дБ / декаду. Следовательно, этапы проектирования активного фильтра нижних частот второго порядка идентичны. Простой метод получения фильтра второго порядка — это каскадирование двух фильтров первого порядка.

Активный фильтр нижних частот второго порядка

Когда схемы фильтров каскадированы в фильтры более высокого порядка, общее усиление фильтра равно произведению каждого каскада.Активные фильтры второго порядка (двухполюсные) необходимы, потому что их можно использовать для создания фильтров более высокого порядка. Фильтры со значением порядка могут быть построены путем каскадирования фильтров первого и второго порядка.

Конфигурация активного фильтра нижних частот третьего порядка
Конфигурация активного фильтра нижних частот четвертого порядка

Коэффициент усиления по напряжению активного фильтра нижних частот второго порядка

Коэффициент усиления фильтра второго порядка является продуктом усиления n каскадов, соединенных вместе . Например, если два фильтра первого порядка подключены каскадом, коэффициент усиления фильтра будет следующим.

Если усиление обоих каскадов дано в дБ, то общее усиление рассчитывается путем сложения обоих усилений

Частота отсечки активного фильтра нижних частот второго порядка

Уравнение частоты отсечки имеет вид

Когда R3 = R4 = R и C1 = C2 = C, тогда частота среза будет задана как

Коэффициент усиления на частоте среза для первого каскада фильтра составляет -3 дБ. Для фильтра второго порядка, объединяющего усиление двух фильтров первого порядка, общее усиление будет -6 дБ.

Схема и пример активного фильтра нижних частот второго порядка

Предположим, что Rs1 = Rs2 = 15 кОм, а конденсатор C1 = C2 = 100 нФ. Резисторы усиления: R1 = 1 кОм, R2 = 9 кОм, R3 = 6 кОм и R4 = 3 кОм. Разработайте активный фильтр нижних частот второго порядка с этими характеристиками.

Частота отсечки задается как

(1)

Коэффициент усиления усилителя первой ступени составляет

Коэффициент усиления усилителя второй ступени составляет

Общий коэффициент усиления фильтра

Общий коэффициент усиления в дБ

(2)

(3)

Коэффициент усиления на частоте среза

(4)

Применение активного фильтра нижних частот

Эти фильтры используются преимущественно в электронике, например, в динамиках и сабвуферах.Они действуют как фильтр в динамиках и как входы для сабвуферов. Они также играют важную роль в конструкции усилителей звука и эквалайзеров. Когда вы используете аналого-цифровые преобразователи, эти фильтры используются как фильтры сглаживания для управления сигналами. Когда дело доходит до акустики и звука, фильтр используется для предотвращения передачи звука высокочастотными сигналами, чтобы предотвратить эхо.

Активная фильтрация в автомобильных аудиосистемах

Операционные усилители являются одними из самых популярных строительных блоков автомобильных аудиосхем.Чтобы повысить эффективность звука, многие разработчики предпочитают интегрировать операционные усилители в свои автомобильные аудиосистемы. Активные фильтры исключают возможность нежелательных помех звуковому сигналу. Фильтрация необходима для обеспечения высококачественного звука для аудиосистемы автомобиля.

Фильтр с операционным усилителем или активным фильтром, усиливая аудиосигнал, сохраняет частотную характеристику. Еще одно популярное применение фильтров операционных усилителей в автомобильной аудиосистеме — выделение частотных диапазонов по всему автомобилю для отдельных динамиков.Однако энергия, необходимая для работы большого сабвуфера, особенно при большей громкости, может повредить громкоговоритель с большей частотой. HPF и LPF можно использовать для установки частот среза, чтобы обеспечить правильные динамики с частотами.

Активные фильтры нижних частот для биомедицинских приложений

Для приложений системы мониторинга ЭКГ с низким напряжением и низким энергопотреблением используется активный CMOS LPF с двухкаскадной топологией операционного усилителя. Этот двухкаскадный усилитель с компенсацией Миллера может использоваться в приложениях с низким энергопотреблением и высоким CMRR, таких как биомедицинские инструменты и крошечные устройства с батарейным питанием, такие как кардиостимулятор, электрокардиограмма (ЭКГ), где низкое энергопотребление является основным беспокойство.

Активные фильтры — обзор

9.2.3.2 Применение сети переменного тока с устройствами SiC на 15 кВ

Сегодня активными фильтрами для сетей среднего напряжения являются, в основном, инверторы низкого напряжения (например, 690 В), которые соединены 50/60 Трансформатор Hz на более высокий уровень напряжения (например, 3–30 кВ), как показано на Рис. 9.21 (слева). Таким образом, почти независимо от динамических характеристик инвертора, полоса пропускания активного фильтра ограничена частотой среза трансформатора. Используя кремниевый IGBT 3.3 или 6,5 кВ для проектирования инвертора среднего напряжения с прямым подключением к сети не приведет к увеличению полосы пропускания, так как частота переключения будет слишком низкой и, следовательно, ширина полосы будет в том же диапазоне, что и раньше. Инвертор с прямой связью с SiC-транзисторами и резко увеличенный динамический диапазон позволил бы решить эту проблему (рис. 9.21, справа).

Рисунок 9.21. Современный активный фильтр с инвертором низкого напряжения (слева) и активный фильтр с инвертором среднего напряжения SiC (справа) [13].

Представлены следующие результаты исследовательского проекта трехфазного инвертора среднего напряжения с устройствами 15 кВ [13,14]. Работа финансируется Федеральным министерством образования и науки Германии. Для проекта были доступны полевые МОП-транзисторы, IGBT и JBS-диоды на 15 кВ [15].

Фиг. 9.22 и 9.23 показывают измерения двойных импульсов с помощью этих устройств [16]. Измерения показывают, что общая энергия переключения MOSFET намного ниже по сравнению с IGBT. Кроме того, IGBT имеет очень высокое значение dv / dt около 180 кВ / мкс во время включения, на которое не может повлиять сопротивление затвора.Измеренное значение dv / dt полевого МОП-транзистора составляет 160 кВ / мкс, но его можно уменьшить за счет использования более высокого сопротивления затвора. Вот почему MOSFET может быть предпочтительным в приложениях с очень высокими частотами переключения и использовался в проекте.

Рисунок 9.22. Включение и выключение полевого МОП-транзистора на 15 кВ (коммутация с JBS-диодом) при В _DS = 12 кВ, I _D = 10 A, R _G = 6,8 Ом [16].

Рисунок 9.23. Включение и выключение IGBT на 15 кВ при V _CE = 12 кВ, I _C = 10 A, R _G = 6.8 Ом [16].

Еще одним преимуществом полевого МОП-транзистора является то, что его собственный диод может использоваться для свободного хода. На рис. 9.24 видно, что динамическое поведение собственного диода сравнимо с поведением диода JBS (рис. 9.25).

Рисунок 9.24. Обратный ток диода JBS (слева) и собственного диода (справа) при VKA = 12 кВ, IF = 10 A [16].

Рисунок 9.25. Схема инвертора с LCL фильтром, измерениями напряжения и тока и подключением к сети [14].

Из-за максимального напряжения блокировки полевых МОП-транзисторов 15 кВ требуется по крайней мере трехуровневая топология для подачи в сеть 10 кВ переменного тока. Поэтому была выбрана топология с фиксацией активной нейтральной точки (ANPC) (см. Рис. 9.1). По сравнению с топологией с зажимом в нейтральной точке, в цепи ограничения используются полевые МОП-транзисторы вместо диодов. Использование активного переключателя на пути зажима дает больше степеней свободы в методе модуляции инвертора. При использовании соответствующей стратегии широтно-импульсной модуляции (ШИМ) кажущаяся частота переключения напряжения моста может быть увеличена вдвое [17].На рис. 9.26 (слева) показаны технические характеристики и конструктивные параметры инвертора.

Рисунок 9.26. Конструктивные параметры и технические характеристики инвертора 10 кВ (слева) и блока _DC на 20 кВ в топологии ANPC в виде однофазной ветви с подключенными полевыми МОП-транзисторами 15 кВ, драйверами и конденсаторами [13].

Одной из основных проблем при проектировании инвертора была работа с высокими значениями dv / dt полевых МОП-транзисторов на 15 кВ до 180 кВ / мкс. Помимо высоких требований к координации изоляции и материалам, важно минимизировать все паразитные емкости вблизи быстро меняющихся потенциалов напряжения.В противном случае возникнут большие токи помех (таблица 9.3).

Таблица 9.3. Расчетные параметры и технические характеристики инвертора 10 кВ

900 Напряжение связи

Параметр	Символ	Значение
Номинальное напряжение сети	В AC_OUT	10 кВ AC
В DC_link	20 кВ DC
Частота переключения	f S	16 кГц
Частота пульсаций	R 9018	32 кГц
Номинальная мощность	S ВЫХ	100 кВА
Емкость промежуточного контура	C DC_link	2 × 12 мкФ
Основная индуктивность	L M, LCL	22 mH
Filte r конденсатор	C F, LCL	200 нФ
Индуктивность сетевого фильтра	L G, LCL	1.3 мГн

Поскольку до сих пор не было модулей на 15 кВ, микросхемы MOSFET помещены в неизолированный корпус прототипа с потенциалом стока на опорной пластине. Чтобы обеспечить достаточную электрическую изоляцию корпусов, хороший отвод тепла и компактную низкоиндуктивную структуру, полевые МОП-транзисторы однофазной ветви были размещены на одной большой керамической пластине (см. Рис. 9.26, справа). Керамика на основе нитрида алюминия поддается механической обработке, поэтому на пластину можно крепить устройства с помощью винтовых зажимов.На нижней стороне керамики фрезерованы прорези, в которые втыкаются алюминиевые ребра для отвода тепла охлаждающими вентиляторами. Удельная теплопроводность керамической пластины составляет 100 Вт / м К. Паразитная емкость между полевыми МОП-транзисторами и заземленными алюминиевыми ребрами приблизительно обратно пропорциональна толщине керамической пластины. При толщине около 10 мм емкость поддерживалась в пределах нескольких десятков пФ.

Для достижения коротких путей тока драйверы затвора крепятся непосредственно поверх полевых МОП-транзисторов (рис.9.27, слева), а зазоры и пути утечки увеличиваются за счет дополнительных изолирующих перегородок. Таким образом, полевые МОП-транзисторы могут быть расположены близко друг к другу.

Рисунок 9.27. SiC-MOSFET 15 кВ с присоединенным драйвером затвора и гальванически изолированным источником питания (слева) и трехфазной инверторной системой 10 кВ (справа) [14].

Также исходный потенциал полевых МОП-транзисторов колеблется с очень высокими скоростями dv / dt. Следовательно, источник питания драйвера затвора должен не только изолировать напряжение, но и предотвращать емкостные связи со стороны высокого и низкого напряжения.Это достигается с помощью конструкции, показанной на рис. 9.27. Первичные обмотки трансформатора источника питания затвора намотаны через середину сердечника тороида. Таким образом обеспечивается изоляция, а паразитная емкость между сторонами высокого и низкого напряжения составляет менее 3 пФ. Сигналы затвора передаются беспотенциально по оптическим волокнам.

Механическая конструкция трехфазной инверторной системы встроена в шкаф размером 80 × 80 × 200 см ³ (рис. 9.4).На трех верхних уровнях расположены три фазы. Каждый фазовый уровень состоит из одного стека с одной фазой ANPC и шестью источниками питания драйвера затвора над стеком. Также на каждом уровне фазы есть часть конденсаторов промежуточного контура, LCL-фильтр, два измерения тока и напряжения и реле высокого напряжения для связи с сетью. Измерение тока осуществляется с помощью измерения шунта. Электронная схема шунта гальванически изолирована от источника питания, аналогичного тому, который используется для питания драйвера затвора.Через дельта-сигма-преобразователи и оптические волокна измеренные токи передаются на плату управления. Для измерения напряжения были разработаны RC-компенсированные делители напряжения.

Нижний уровень шкафа состоит из нескольких вспомогательных источников питания на 12 В и 24 В, точек подключения для входа постоянного и переменного тока, разрядников для защиты от перенапряжений, цепей заряда и разряда конденсаторов и платы управления. Управление реализовано на программируемой вентильной матрице (FPGA), которая принимает и передает все сигналы измерения, управления и ШИМ, гальванически развязанные с помощью волоконной оптики.

Первоначально ввод в эксплуатацию проводился в режиме управления без обратной связи в однофазном режиме. Для входа использовался высоковольтный источник постоянного тока. На выходе была подключена резистивная нагрузка среднего напряжения. При скважности 100% напряжение постоянного тока было увеличено до 17 кВ. В этой рабочей точке было достигнуто номинальное выходное напряжение 5,8 кВ (среднеквадратичное значение), что соответствует напряжению в цепи сети 10 кВ. Из-за минимального регулируемого значения доступного резистора среднего напряжения 2.4 кОм, выходной ток 2,4 А, выходная мощность 14 кВт (рис. 9.28, слева). Все три фазы были успешно протестированы. На рис. 9.28 (справа) показаны измерения КПД для различных напряжений постоянного тока.

Рисунок 9.28. Положительное напряжение промежуточного контура V _{DC +} , напряжение моста V _Br , выходное напряжение VAC и выходной ток IAC в однофазном режиме (слева) и КПД инвертора для различных напряжений постоянного тока [14].