Χαρακτηριστικά ενεργών φίλτρων, πρώτη και δεύτερη σειρά, εφαρμογές

Το ενεργά φίλτρα είναι εκείνες που έχουν ελεγχόμενες πηγές ή ενεργά στοιχεία, όπως, για παράδειγμα, επιχειρησιακοί ενισχυτές, τρανζίστορ ή σωλήνες κενού. Μέσω ενός ηλεκτρονικού κυκλώματος, ένα φίλτρο επιτρέπει τη συμμόρφωση με τη μοντελοποίηση μιας συνάρτησης μεταφοράς που αλλάζει το σήμα εισόδου και δίνει ένα σήμα εξόδου σύμφωνα με το σχέδιο.

Η διαμόρφωση ενός ηλεκτρονικού φίλτρου είναι συνήθως επιλεκτική και το κριτήριο επιλογής είναι η συχνότητα του σήματος εισόδου. Εξαιτίας των παραπάνω, ανάλογα με τον τύπο του κυκλώματος (σε σειρά ή παράλληλα) το φίλτρο θα επιτρέπει τη διέλευση ορισμένων σημάτων και θα εμποδίζει τη διέλευση των υπόλοιπων.

Με αυτό τον τρόπο, το σήμα εξόδου θα χαρακτηρίζεται από το να καθαρίζεται σύμφωνα με τις παραμέτρους σχεδιασμού του κυκλώματος που αποτελεί το φίλτρο.

Ευρετήριο

• 1 Χαρακτηριστικά
• 2 φίλτρα της πρώτης τάξης
  • 2.1 Φίλτρα χαμηλής διέλευσης
  • 2.2 Τα φίλτρα περνούν ψηλά
• 3 φίλτρα δεύτερης τάξης
• 4 Εφαρμογές
• 5 Αναφορές

Χαρακτηριστικά

- Τα ενεργά φίλτρα είναι αναλογικά φίλτρα, πράγμα που σημαίνει ότι τροποποιούν αναλογικό σήμα (είσοδο) ανάλογα με τα εξαρτήματα συχνότητας.

- Χάρη στην παρουσία ενεργών εξαρτημάτων (επιχειρησιακοί ενισχυτές, σωλήνες κενού, τρανζίστορ κ.λπ.), αυτός ο τύπος φίλτρων αυξάνει ένα τμήμα ή ολόκληρο το σήμα εξόδου, σε σχέση με το σήμα εισόδου.

Αυτό οφείλεται στην ενίσχυση της ενέργειας μέσω της χρήσης λειτουργικών ενισχυτών (OPAMS). Τα παραπάνω διευκολύνουν την απόκτηση συντονισμού και παράγοντα υψηλής ποιότητας, χωρίς την ανάγκη να χρησιμοποιηθούν επαγωγείς. Από την πλευρά του, ο παράγοντας ποιότητας - γνωστός και ως συντελεστής Q - είναι ένα μέτρο της ευκρίνειας και της απόδοσης του συντονισμού.

- Τα ενεργά φίλτρα μπορούν να συνδυάσουν ενεργά και παθητικά στοιχεία. Τα τελευταία είναι τα βασικά συστατικά των κυκλωμάτων: αντιστάσεις, πυκνωτές και επαγωγείς.

- Τα ενεργά φίλτρα επιτρέπουν συνδέσεις σε καταρράκτες, διαμορφώνονται έτσι ώστε να ενισχύουν σήματα και να επιτρέπουν την ολοκλήρωση μεταξύ δύο ή περισσοτέρων κυκλωμάτων, εάν είναι απαραίτητο.

- Σε περίπτωση που το κύκλωμα διαθέτει λειτουργικούς ενισχυτές, η τάση εξόδου του κυκλώματος περιορίζεται από την τάση κορεσμού αυτών των στοιχείων.

- Ανάλογα με τον τύπο του κυκλώματος, και τα ονομαστικές τιμές των ενεργητικά και παθητικά στοιχεία, το δραστικό φίλτρο μπορεί να σχεδιαστεί για να παρέχουν μια υψηλή σύνθετη αντίσταση εισόδου και μικρή σύνθετη αντίσταση εξόδου.

- Η κατασκευή ενεργών φίλτρων είναι οικονομικό σε σύγκριση με άλλους τύπους συναρμολογήσεων.

- Για λειτουργία, τα ενεργά φίλτρα απαιτούν τροφοδοσία, κατά προτίμηση συμμετρικά.

Φίλτρα πρώτης τάξης

Τα φίλτρα πρώτης τάξης χρησιμοποιούνται για να εξασθενίσουν τα σήματα που είναι πάνω ή κάτω από τον βαθμό απόρριψης, σε πολλαπλάσια των 6 ντεσιμπέλ κάθε φορά που η συχνότητα διπλασιάζεται. Αυτός ο τύπος συγκροτημάτων συνήθως αντιπροσωπεύεται από την ακόλουθη λειτουργία μεταφοράς:

Όταν καταργείτε τον αριθμητή και τον παρονομαστή της έκφρασης, πρέπει:

- N (jω) είναι ένα πολυώνυμο βαθμού ≤ 1

- t είναι το αντίστροφο της γωνιακής συχνότητας του φίλτρου

- W_γ είναι η γωνιακή συχνότητα του φίλτρου και δίνεται από την ακόλουθη εξίσωση:

Στην εν λόγω έκφραση_γ είναι η συχνότητα αποκοπής φίλτρου.

Η συχνότητα αποκοπής είναι αυτή η συχνότητα ορίου του φίλτρου για την οποία προκαλείται εξασθένηση σήματος. Ανάλογα με τη διαμόρφωση του φίλτρου (χαμηλής διέλευσης, υψιπερατό, ζωνοπερατό ή εξαλείφει ζώνες), η επίδραση του σχεδιασμού του φίλτρου παρουσιάζεται ακριβώς από τη συχνότητα αποκοπής.

Στη συγκεκριμένη περίπτωση των φίλτρων πρώτης τάξης, αυτά μπορούν να είναι χαμηλά ή υψηλά.

Φίλτρα χαμηλής διέλευσης

Αυτός ο τύπος φίλτρων επιτρέπει τη διέλευση χαμηλότερων συχνοτήτων και εξασθενεί ή καταστέλλει συχνότητες πάνω από τη συχνότητα αποκοπής.

Η λειτουργία μεταφοράς για τα φίλτρα χαμηλής διέλευσης έχει ως εξής:

Η απόκριση πλάτους και φάσης αυτής της συνάρτησης μεταφοράς είναι:

Ένα ενεργό φίλτρο χαμηλής διέλευσης μπορεί να εκπληρώσει τη λειτουργία σχεδιασμού χρησιμοποιώντας αντιστάσεις εισόδου και γείωσης, μαζί με λειτουργικούς ενισχυτές και διαμορφώσεις αντιστάσεων και πυκνωτών παράλληλα. Ακολουθεί ένα παράδειγμα ενεργού κυκλώματος χαμηλής διέλευσης του μετατροπέα:

Οι παράμετροι της συνάρτησης μεταφοράς για αυτό το κύκλωμα είναι:

Τα φίλτρα περνούν ψηλά

Από την άλλη πλευρά, τα φίλτρα υψηλής διέλευσης έχουν το αντίθετο αποτέλεσμα, σε σύγκριση με τα φίλτρα χαμηλής διέλευσης. Δηλαδή, αυτός ο τύπος φίλτρων εξασθενίζει τις χαμηλές συχνότητες και επιτρέπει τις υψηλές συχνότητες να περάσουν.

Ακόμη, ανάλογα με τη διαμόρφωση του κυκλώματος, τα ενεργά φίλτρα υψηλής διέλευσης μπορούν να ενισχύσουν τα σήματα εάν διαθέτουν λειτουργικούς ενισχυτές ειδικά σχεδιασμένους για το σκοπό αυτό. Η λειτουργία μεταφοράς ενός ενεργού φίλτρου υψηλής διέλευσης της πρώτης τάξης έχει ως εξής:

Η απόκριση πλάτους και φάσης του συστήματος είναι:

Ένα ενεργό φίλτρο υψηλής διέλευσης χρησιμοποιεί αντιστάσεις και πυκνωτές σε σειρά στην είσοδο του κυκλώματος, καθώς και μια αντίσταση στη διαδρομή εκφόρτισης προς τη γείωση, για να εκπληρώσει τη λειτουργία της αντίστασης ανάδρασης. Παρακάτω είναι ένα παράδειγμα ενός ενεργού κυκλώματος inverter high-pass:

Οι παράμετροι της συνάρτησης μεταφοράς για αυτό το κύκλωμα είναι:

Φίλτρα δεύτερης τάξης

Τα φίλτρα δεύτερης τάξης συνήθως λαμβάνονται με τη δημιουργία συνδέσεων φίλτρων πρώτης τάξης σε σειρά, για να αποκτήσετε μια πιο περίπλοκη ρύθμιση που επιτρέπει την επιλεκτική ρύθμιση της συχνότητας.

Η γενική έκφραση για τη λειτουργία μεταφοράς ενός φίλτρου δεύτερης τάξης είναι:

Όταν καταργείτε τον αριθμητή και τον παρονομαστή της έκφρασης, πρέπει:

- Το N (jω) είναι πολυώνυμο βαθμού ≤ 2.

- W_o είναι η γωνιακή συχνότητα του φίλτρου και δίνεται από την ακόλουθη εξίσωση:

Στην εξίσωση αυτή f_o είναι η χαρακτηριστική συχνότητα του φίλτρου. Σε περίπτωση που υπάρχει κύκλωμα RLC (αντίσταση, επαγωγέας και πυκνωτής σε σειρά), η χαρακτηριστική συχνότητα του φίλτρου συμπίπτει με τη συχνότητα συντονισμού του φίλτρου.

Με τη σειρά του, η συχνότητα συντονισμού είναι η συχνότητα με την οποία το σύστημα φθάνει στο μέγιστο βαθμό ταλάντωσης.

- ζ είναι ο παράγοντας απόσβεσης. Αυτός ο παράγοντας καθορίζει την ικανότητα του συστήματος να επιβραδύνει το σήμα εισόδου.

Με τη σειρά του, από τον συντελεστή απόσβεσης ο συντελεστής ποιότητας φίλτρου προκύπτει από την ακόλουθη έκφραση:

Ανάλογα με το σχεδιασμό των αντιστάσεων του κυκλώματος, τα ενεργά φίλτρα δεύτερης τάξης μπορούν να είναι: φίλτρα χαμηλής διέλευσης, φίλτρα υψηλής διέλευσης και φίλτρα διέλευσης ζώνης..

Εφαρμογές

Τα ενεργά φίλτρα χρησιμοποιούνται σε ηλεκτρικά δίκτυα προκειμένου να μειωθούν οι διαταραχές στο δίκτυο, λόγω της σύνδεσης μη γραμμικών φορτίων.

Αυτές οι διαταραχές μπορούν να διαπεραστούν μέσω του συνδυασμού ενεργών και παθητικών φίλτρων και η μεταβολή των συνθέσεων εισόδου και των διαμορφώσεων RC σε όλο το συγκρότημα.

Στα ενεργειακά ηλεκτρικά δίκτυα, χρησιμοποιούνται ενεργά φίλτρα για τη μείωση των αρμονικών του ρεύματος που ρέει μέσω του δικτύου μεταξύ του ενεργού φίλτρου και του κόμβου παραγωγής ενέργειας.

Ομοίως, τα ενεργά φίλτρα συμβάλλουν στην εξισορρόπηση των ρευμάτων επιστροφής που κυκλοφορούν μέσω του ουδέτερου και των αρμονικών που σχετίζονται με αυτή τη ροή ρεύματος και την τάση του συστήματος.

Επιπλέον, τα ενεργά φίλτρα έχουν εξαιρετική λειτουργία όσον αφορά τη διόρθωση του συντελεστή ισχύος των διασυνδεδεμένων ηλεκτρικών συστημάτων.

Αναφορές

1. Ενεργά φίλτρα (s.f.). Εθνικό Πειραματικό Πανεπιστήμιο της Ταχίρας. Κράτος Táchira, Βενεζουέλα. Ανακτήθηκε από: unet.edu.ve
2. Lamich, Μ. (2001). Ενεργά φίλτρα: Εισαγωγή και εφαρμογές. Universitat Politècnica de Catalunya, Ισπανία. Ανακτήθηκε από: crit.upc.edu
3. Miyara, F. (2004). Ενεργά φίλτρα. Εθνικό Πανεπιστήμιο του Ροζάριο. Αργεντινή Ανακτήθηκε από: fceia.unr.edu.ar
4. Gimenez, Μ (s.f.). Η θεωρία του κυκλώματος II. Πανεπιστήμιο Simón Bolívar. Κράτος Μιράντα, Βενεζουέλα. Ανακτήθηκε από: labc.usb.ve
5. Wikipedia, Η ελεύθερη εγκυκλοπαίδεια (2017). Ενεργό φίλτρο Ανακτήθηκε από: en.wikipedia.org
6. Wikipedia, Η ελεύθερη εγκυκλοπαίδεια (2017). Ηλεκτρονικό φίλτρο Ανακτήθηκε από: en.wikipedia.org