滤波器原理及其作用,滤波器的应用有哪些?

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滤波器是由电容、电感和电阻组成的滤波电路。滤波器可以对电源线中特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除,得到一个特定频率的电源信号,或消除一个特定频率后的电源信号。滤波器是一种选频装置,可以使信号中特定的频率成分通过,而极大地衰减其他频率成分。利用滤波器的这种选频作用,可以滤除干扰噪声或进行频谱分析。换句话说,凡是可以使信号中特定的频率成分通过,而极大地衰减或抑制其他频率成分的装置或系统都称之为滤波器。滤波器,是对波进行过滤的器件。

滤波器

“波”是一个非常广泛的物理概念,在电子技术领域,“波”被狭义地局限于特指描述各种物理量的取值随时间起伏变化的过程。该过程通过各类传感器的作用,被转换为电压或电流的时间函数,称之为各种物理量的时间波形,或者称之为信号。因为自变量时间是连续取值的,所以称之为连续时间信号,又习惯地称之为模拟信号(Analog Signal)。

 

滤波是信号处理中的一个重要概念,在直流稳压电源中滤波电路的作用是尽可能减小脉动的直流电压中的交流成分,保留其直流成分,使输出电压纹波系数降低,波形变得比较平滑。

 

一、主要分类有

按所处理的信号分为模拟滤波器数字滤波器两种。

无源滤波器中按所通过信号的频段分为低通、高通、带通、带阻和全通滤波器五种。

低通滤波器:它允许信号中的低频或直流分量通过,抑制高频分量或干扰和噪声;

高通滤波器:它允许信号中的高频分量通过,抑制低频或直流分量;

带通滤波器:它允许一定频段的信号通过,抑制低于或高于该频段的信号、干扰和噪声;

带阻滤波器:它抑制一定频段内的信号,允许该频段以外的信号通过,又称为陷波滤波器。

全通滤波器:全通滤波器是指在全频带范围内,信号的幅值不会改变,也就是全频带内幅值增益恒等于1。一般全通滤波器用于移相,也就是说,对输入信号的相位进行改变,理想情况是相移与频率成正比,相当于一个时间延时系统。

 

按所采用的元器件分为无源有源滤波器两种。

根据滤波器的安放位置不同,一般分为板上滤波器和面板滤波器。

板上滤波器安装在线路板上,如PLB、JLB系列滤波器。这种滤波器的优点是经济,缺点是高频滤波效果欠佳。其主要原因是:

1、滤波器的输入与输出之间没有隔离,容易发生耦合;

2、滤波器的接地阻抗不是很低,削弱了高频旁路效果;

3、滤波器与机箱之间的一段连线会产生两种不良作用: 一个是机箱内部空间的电磁干扰会直接感应到这段线上,沿着电缆传出机箱,借助电缆辐射,使滤波器失效;另一个是外界干扰在被板上滤波器滤波之前,借助这段线产生辐射,或直接与线路板上的电路发生耦合,造成敏感度问题;

滤波阵列板、滤波连接器等面板滤波器一般都直接安装在屏蔽机箱的金属面板上。由于直接安装在金属面板上,滤波器的输入与输出之间完全隔离,接地良好,电缆上的干扰在机箱端口上被滤除,因此滤波效果相当理想。

滤波器2

二、滤波器的工作原理

低通滤波器

 

电感阻止高频信号通过而允许低频信号通过,电容的特性却相反。信号能够通过电感的滤波器、或者通过电容连接到地的滤波器对于低频信号的衰减要比高频信号小,称为低通滤波器。

 

低通滤波器原理很简单,它就是利用电容通高频阻低频、电感通低频阻高频的原理。对于需要截止的高频,利用电容吸收电感、阻碍的方法不使它通过;对于需要放行的低频,利用电容高阻、电感低阻的特点让它通过。

 

 

高通滤波器

最简单的高通滤波器是“一阶高通滤波器”,它的的特性一般用一阶线性微分方程表示,它的左边与一阶低通滤波器完全相同,仅右边是激励源的导数而不是激励源本身。当较低的频率通过该系统时,没有或几乎没有什么输出,而当较高的频率通过该系统时,将会受到较小的衰减。

 

实际上,对于极高的频率而言,电容器相当于“短路”一样,这些频率,基本上都可以在电阻两端获得输出。

 

高通滤波器除可以用元件外,还可以用LC构成。

 

带通滤波器

带通滤波器是一种仅允许特定频率通过,同时对其余频率的信号进行有效抑制的电路。由于它对信号具有选择性,故而被广泛地应用现在电子设计中。比如RLC振荡回路就是一个模拟带通滤波器。带通滤波器是指能通过某一频率范围内的频率分量、但将其他范围的频率分量衰减到极低水平的滤波器,与带阻滤波器的概念相对。

 

一个理想的带通滤波器应该有一个完全平坦的通带,在通带内没有放大或者衰减。实际上,并不存在理想的带通滤波器。滤波器并不能够将期望频率范围外的所有频率完全衰减掉,尤其是在所要的通带外还有一个被衰减但是没有被隔离的范围。这通常称为滤波器的滚降现象,并且使用每十倍频的衰减幅度的dB数来表示。 通常,滤波器的设计尽量保证滚降范围越窄越好,这样滤波器的性能就与设计更加接近。然而,随着滚降范围越来越小,通带就变得不再平坦,开始出现“波纹”。这种现象在通带的边缘处尤其明显,这种效应称为吉布斯现象。

图

三、滤波器的作用

滤波器,顾名思义,是对波进行过滤的器件。“波”是一个非常广 泛的物理概念,在电子技术领域,“波”被狭义地局限于特指描述各种物理量的取值随时间起伏变化的过程。该过程通过各类传感器的作用,被转换为电压或电流的时间函数,称之为各种物理量的时间波形,或者称之为信号。因为自变量时间‘是连续取值的,所以称之为连续时间信号,又习惯地称之为模拟信号(Analog Signal)。随着数字式电子计算机(一般简称计算机)技术的产生和飞速发展,为了便于计算机对信号进行处理,产生了在抽样定理指导下将连续时间信号变换成离散时间信号的完整的理论和方法。也就是说,可以只用原模拟信号在一系列离散时间坐标点上的样本值表达原始信号而不丢失任何信息,波、波形、信号这些概念既然表达的是客观世界中各种物理量的变化,自然就是现代社会赖以生存的各种信息的载体。信息需要传播,靠的就是波形信号的传递。信号在它的产生、转换、传输的每一个环节都可能由于环境和干扰的存在而畸变,甚至是在相当多的情况下,这种畸变还很严重,以致于信号及其所携带的信息被深深地埋在噪声当中了

 

 

四、滤波器的应用

通信行业:为了满足大规模数据中心机房的运行需要,通信配电系统中的UPS使用容量在大幅上升。据调查,通信低压配电系统主要的谐波源设备为UPS、开关电源、变频空调等。

 

其产生的谐波含量都较高,且这些谐波源设备的位移功率因数极高。通过使用有源滤波器可以提高通信系统及配电系统的稳定性,延长通信设备及电力设备的使用寿命,并且使配电系统更符合谐波环境的设计规范。

通信行业

半导体行业:大多数半导体行业的3次谐波非常严重,主要是由于企业中使用了大量的单相整流设备。3次谐波属于零序谐波,具备在中性线汇集的特点,导致中性线压力过大,甚至出现打火现象,存在着极大的生产安全隐患。

 

谐波还会造成断路器跳闸,耽误生产时间。3次谐波在变压器内形成环流,加速了变压器的老化。严重的谐波污染必然对配电系统中的设备使用效率和寿命造成影响。

半导体行业

石化行业:由于生产的需要,石化行业中存在着大量泵类负载,并且不少泵类负载都配有变频器。变频器的大量应用使石化行业配电系统中的谐波含量大大增加。

 

目前绝大部分变频器整流环节都是应用6脉冲将交流转化为直流,因此产生的谐波以5次、7次、11次为主。其主要危害表现为对电力设备的危害及在计量方面的偏差。使用有源滤波器可以很好地解决这方面的问题。

石化行业

化纤行业:为大幅提高熔化率、提高玻璃的熔化质量,以及延长炉龄、节省能源,在化纤行业常用到电助熔加热设备,借助电极把电直接送入燃料加热的玻璃池窑中。这些设备会产生大量的谐波,且三相谐波的频谱和幅值差别比较大。

化纤行业

钢铁/中频加热行业:钢铁业中常用到的中频炉、轧机、电弧炉等设备都会对电网的电能质量产生重大的影响,使电容补偿柜过载保护动作频繁、变压器和供电线路发热严重、熔断器频繁熔断等,甚至引起电压跌落、闪变。

 

汽车制造业:焊机是汽车制造业中不可少的设备,由于焊机具有随机性、快速性及冲击性的特点,使大量使用焊机造成严重的电能质量问题,造成焊接质量不稳、自动化程度高的机器人由于电压不稳而不能工作,无功补偿系统无法正常使用等情况。

汽车制造业

直流电机谐波治理:大型直流电机场所都需要先通过整流设备将交流电转换为直流电,由于此类工程的负载容量都较大,因此在交流侧存在严重的谐波污染,造成电压畸变,严重时会引起事故。

 

 

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