Filtri attivi: caratteristiche, primo e secondo ordine, applicazioni

I filtri attivi sono quelli che hanno sorgenti controllate o elementi attivi, come ad esempio amplificatori operazionali, transistor o valvole a vuoto. Attraverso un circuito elettronico, un filtro consente di conformarsi alla modellazione di una funzione di trasferimento che modifica il segnale di ingresso e fornisce un segnale di uscita in base al progetto.

La configurazione di un filtro elettronico è solitamente selettiva e il criterio di selezione è la frequenza del segnale di ingresso. A causa di quanto sopra, a seconda del tipo di circuito (in serie o in parallelo) il filtro consentirà il passaggio di determinati segnali e bloccherà il passaggio del resto.

In questo modo, il segnale di uscita sarà caratterizzato dalla purificazione in base ai parametri di progettazione del circuito che costituisce il filtro.

lineamenti

- I filtri attivi sono filtri analogici, il che significa che essi modificano un segnale analogico (ingresso) a seconda dei componenti di frequenza.

- Grazie alla presenza di componenti attivi (amplificatori operazionali, tubi a vuoto, transistor, ecc.), Questo tipo di filtri aumenta una sezione o l'intero segnale di uscita, rispetto al segnale di ingresso.

Ciò è dovuto all'amplificazione dell'energia attraverso l'uso di amplificatori operazionali (OPAMS). Quanto sopra facilita l'ottenimento della risonanza e un fattore di alta qualità, senza la necessità di utilizzare induttori. D'altra parte, il fattore qualità, noto anche come fattore Q, è una misura della nitidezza e dell'efficienza della risonanza.

- I filtri attivi possono combinare componenti attivi e passivi. Questi ultimi sono i componenti di base dei circuiti: resistori, condensatori e induttori.

- I filtri attivi consentono connessioni in cascata, sono configurati per amplificare i segnali e consentire l'integrazione tra due o più circuiti, se necessario.

- Nel caso in cui il circuito abbia amplificatori operazionali, la tensione di uscita del circuito è limitata dalla tensione di saturazione di questi elementi.

- A seconda del tipo di circuito e dei valori nominali degli elementi attivi e passivi, il filtro attivo può essere progettato per fornire un'impedenza di ingresso elevata e una piccola impedenza di uscita.

- La produzione di filtri attivi è economica rispetto ad altri tipi di gruppi.

- Per funzionare, i filtri attivi richiedono un'alimentazione, preferibilmente simmetrica.

Filtri del primo ordine

I filtri del primo ordine sono usati per attenuare i segnali che sono al di sopra o al di sotto del grado di rigetto, in multipli di 6 decibel ogni volta che la frequenza è raddoppiata. Questo tipo di assembly è solitamente rappresentato dalla seguente funzione di trasferimento:

Quando abbatti il ​​numeratore e il denominatore dell'espressione, devi:

- N (jω) è un polinomio di grado ≤ 1

- t è l'inverso della frequenza angolare del filtro

- W _c è la frequenza angolare del filtro ed è data dalla seguente equazione:

In detta espressione f _c è la frequenza di taglio del filtro.

La frequenza di taglio è quella frequenza limite del filtro per cui viene indotta l'attenuazione del segnale. A seconda della configurazione del filtro (passa basso, passa alto, passa banda o eliminazione banda), l'effetto del design del filtro viene presentato, in modo preciso, dalla frequenza di taglio.

Nel caso particolare dei filtri del primo ordine, questi possono essere solo passa basso o passa alto.

Filtri passa basso

Questo tipo di filtri consente il passaggio di frequenze più basse e attenua o sopprime le frequenze al di sopra della frequenza di taglio.

La funzione di trasferimento per i filtri passa basso è la seguente:

L'ampiezza e la risposta di fase di questa funzione di trasferimento sono:

Un filtro passa basso attivo può adempiere alla funzione di progettazione utilizzando resistori di ingresso e di scarica di terra, insieme a amplificatori operazionali e configurazioni di resistori e condensatori in parallelo. Di seguito è riportato un esempio di circuito attivo passa basso dell'inverter:

I parametri della funzione di trasferimento per questo circuito sono:

I filtri passano in alto

D'altra parte, i filtri passa-alto hanno l'effetto opposto, rispetto ai filtri passa-basso. Cioè, questo tipo di filtri attenua le basse frequenze e lascia passare le alte frequenze.

Anche, a seconda della configurazione del circuito, i filtri attivi passa-alto possono amplificare i segnali se dispongono di amplificatori operazionali appositamente predisposti per tale scopo. La funzione di trasferimento di un filtro passa-alto attivo del primo ordine è la seguente:

L'ampiezza e la risposta di fase del sistema sono:

Un filtro passa-alto attivo utilizza resistori e condensatori in serie all'ingresso del circuito, oltre a un resistore nel percorso di scarica verso terra, per adempiere alla funzione di impedenza di feedback. Di seguito è riportato un esempio di un circuito inverter passa-alto attivo:

I parametri della funzione di trasferimento per questo circuito sono:

Filtri del secondo ordine

I filtri del secondo ordine si ottengono generalmente realizzando connessioni di filtro del primo ordine in serie, per ottenere una configurazione più complessa che consente di sintonizzare in modo selettivo la frequenza.

L'espressione generale per la funzione di trasferimento di un filtro del secondo ordine è:

Quando abbatti il ​​numeratore e il denominatore dell'espressione, devi:

- N (jω) è un polinomio di grado ≤ 2.

- W _o è la frequenza angolare del filtro ed è data dalla seguente equazione:

In questa equazione f _o è la frequenza caratteristica del filtro. Nel caso in cui sia presente un circuito RLC (resistenza, induttore e condensatore in serie), la frequenza caratteristica del filtro coincide con la frequenza di risonanza del filtro.

A sua volta, la frequenza di risonanza è la frequenza con cui il sistema raggiunge il massimo grado di oscillazione.

- ζ è il fattore di smorzamento. Questo fattore definisce la capacità del sistema di smorzare il segnale di ingresso.

A sua volta, dal fattore di smorzamento il fattore di qualità del filtro si ottiene attraverso la seguente espressione:

A seconda del progetto delle impedenze del circuito, i filtri attivi del secondo ordine possono essere: filtri passa-basso, filtri passa-alto e filtri passa-banda.

applicazioni

I filtri attivi sono utilizzati nelle reti elettriche per ridurre i disturbi nella rete, a causa della connessione di carichi non lineari.

Questi disturbi possono essere permeati attraverso la combinazione di filtri attivi e passivi e la variazione delle impedenze di ingresso e delle configurazioni RC durante l'assemblaggio.

Nelle reti elettriche di potenza, i filtri attivi vengono utilizzati per ridurre le armoniche correnti che circolano attraverso la rete tra il filtro attivo e il nodo di generazione di energia elettrica.

Allo stesso modo, i filtri attivi aiutano a bilanciare le correnti di ritorno che circolano attraverso il neutro e le armoniche associate a questo flusso di corrente e alla tensione del sistema.

Inoltre, i filtri attivi svolgono una funzione eccellente rispetto alla correzione del fattore di potenza dei sistemi elettrici interconnessi.