Filter Aktif: Karakteristik, Orde Pertama dan Kedua, Aplikasi

Filter aktif adalah filter yang memiliki sumber yang dikontrol atau elemen aktif, seperti, misalnya, amplifier operasional, transistor atau tabung vakum. Melalui sirkuit elektronik, filter memungkinkan untuk mematuhi pemodelan fungsi transfer yang mengubah sinyal input dan memberikan sinyal output sesuai dengan desain.

Konfigurasi filter elektronik biasanya selektif dan kriteria pemilihannya adalah frekuensi sinyal input. Karena hal di atas, tergantung pada jenis rangkaian (seri atau paralel), filter akan memungkinkan lewatnya sinyal tertentu dan memblokir bagian yang lain.

Dengan cara ini, sinyal keluaran akan ditandai dengan dimurnikan sesuai dengan parameter desain dari rangkaian yang merupakan filter.

Fitur

- Filter aktif adalah filter analog, yang artinya memodifikasi sinyal analog (input) tergantung pada komponen frekuensi.

- Berkat keberadaan komponen aktif (amplifier operasional, tabung vakum, transistor, dll.), Jenis filter ini menambah satu bagian atau seluruh sinyal keluaran, berkenaan dengan sinyal input.

Ini karena amplifikasi energi melalui penggunaan penguat operasional (OPAMS). Di atas memfasilitasi memperoleh resonansi dan faktor kualitas tinggi, tanpa perlu menggunakan induktor. Di sisi lain, faktor kualitas - juga dikenal sebagai faktor Q - adalah ukuran ketajaman dan efisiensi resonansi.

- Filter aktif dapat menggabungkan komponen aktif dan pasif. Yang terakhir adalah komponen dasar dari rangkaian: resistor, kapasitor dan induktor.

- Filter aktif memungkinkan koneksi kaskade, dikonfigurasi untuk memperkuat sinyal dan memungkinkan integrasi antara dua atau lebih sirkuit jika perlu.

- Jika sirkuit memiliki penguat operasional, tegangan output rangkaian dibatasi oleh tegangan saturasi elemen-elemen ini.

- Bergantung pada jenis sirkuit, dan nilai nominal elemen aktif dan pasif, filter aktif dapat dirancang untuk memberikan impedansi input tinggi dan impedansi output kecil.

- Pembuatan filter aktif lebih ekonomis dibandingkan dengan jenis rakitan lainnya.

- Untuk beroperasi, filter aktif memerlukan catu daya, lebih disukai simetris.

Filter urutan pertama

Filter urutan pertama digunakan untuk melemahkan sinyal yang berada di atas atau di bawah tingkat penolakan, dalam kelipatan 6 desibel setiap kali frekuensinya dua kali lipat. Jenis majelis ini biasanya diwakili oleh fungsi transfer berikut:

Saat Anda menjabarkan pembilang dan penyebut ekspresi, Anda harus:

- N (jω) adalah polinomial derajat ≤ 1

- t adalah kebalikan dari frekuensi sudut filter

- Wc adalah frekuensi sudut filter, dan diberikan oleh persamaan berikut:

Dalam ungkapan tersebut fc adalah frekuensi cutoff dari filter.

Frekuensi cutoff adalah batas frekuensi filter yang menyebabkan redaman sinyal. Bergantung pada konfigurasi filter (low pass, high pass, band pass atau eliminasi band), efek dari desain filter disajikan, tepatnya, dari frekuensi cutoff.

Dalam kasus tertentu dari filter urutan pertama, ini hanya dapat low pass atau high pass.

Filter low pass

Jenis filter ini memungkinkan lewatnya frekuensi yang lebih rendah, dan melemahkan atau menekan frekuensi di atas frekuensi cutoff.

Fungsi transfer untuk filter low pass adalah sebagai berikut:

Amplitudo dan respons fase dari fungsi transfer ini adalah:

Filter low-pass yang aktif dapat memenuhi fungsi desain dengan menggunakan input dan resistor pelepasan tanah, bersama dengan amplifier operasional dan konfigurasi resistor dan kapasitor secara paralel. Di bawah ini adalah contoh dari rangkaian low pass inverter aktif:

Parameter fungsi transfer untuk sirkuit ini adalah:

Filter lulus tinggi

Di sisi lain, filter high pass memiliki efek sebaliknya, dibandingkan dengan filter low pass. Yaitu, jenis filter ini melemahkan frekuensi rendah dan memungkinkan frekuensi tinggi berlalu.

Bahkan, tergantung pada konfigurasi rangkaian, filter aktif high pass dapat memperkuat sinyal jika mereka memiliki amplifier operasional yang khusus diatur untuk tujuan itu. Fungsi transfer filter high-pass aktif dari urutan pertama adalah sebagai berikut:

Amplitudo dan respons fase sistem adalah:

Filter high pass aktif menggunakan resistor dan kapasitor secara seri pada input rangkaian, serta resistor di jalur pelepasan ke tanah, untuk memenuhi fungsi impedansi umpan balik. Di bawah ini adalah contoh dari rangkaian inverter high-pass aktif:

Parameter fungsi transfer untuk sirkuit ini adalah:

Filter pesanan kedua

Filter orde kedua biasanya diperoleh dengan membuat koneksi filter orde pertama secara seri, untuk mendapatkan pengaturan yang lebih kompleks yang memungkinkan penyetelan frekuensi secara selektif.

Ekspresi umum untuk fungsi transfer filter orde kedua adalah:

Saat Anda menjabarkan pembilang dan penyebut ekspresi, Anda harus:

- N (jω) adalah polinomial derajat ≤ 2.

- _Wo adalah frekuensi sudut filter, dan diberikan oleh persamaan berikut:

Dalam persamaan ini fo adalah frekuensi karakteristik dari filter. Dalam hal ada rangkaian RLC (resistansi, induktor dan kapasitor secara seri), frekuensi karakteristik filter bertepatan dengan frekuensi resonansi filter.

Pada gilirannya, frekuensi resonansi adalah frekuensi di mana sistem mencapai tingkat osilasi maksimum.

- ζ adalah faktor redaman. Faktor ini menentukan kapasitas sistem untuk meredam sinyal input.

Pada gilirannya, dari faktor redaman faktor kualitas filter diperoleh melalui ekspresi berikut:

Bergantung pada desain impedansi sirkuit, filter aktif urutan kedua dapat berupa: filter low pass, filter high pass, dan filter bandpass.

Aplikasi

Filter aktif digunakan dalam jaringan listrik untuk mengurangi gangguan dalam jaringan, karena koneksi beban non-linear.

Gangguan ini dapat diserap melalui kombinasi filter aktif dan pasif, dan variasi impedansi input dan konfigurasi RC di seluruh rakitan.

Dalam jaringan listrik tenaga, filter aktif digunakan untuk mengurangi harmonisa saat ini yang bersirkulasi melalui jaringan antara filter aktif dan simpul pembangkit daya listrik.

Demikian juga, filter aktif membantu menyeimbangkan arus balik yang bersirkulasi melalui netral, dan harmonisa yang terkait dengan aliran arus dan tegangan sistem.

Selain itu, filter aktif memenuhi fungsi yang sangat baik sehubungan dengan koreksi faktor daya dari sistem kelistrikan yang saling berhubungan.