有源滤波器工作原理,以及结构

有源电力滤波器(Active Power Filter，简称APF)是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能够对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿。有源滤波器之所以称为有源，顾名思义该装置需要提供电源(用以补偿主电路的谐波)，其应用可克服LC滤波器等传统的谐波抑制和无功补偿方法的缺点(传统的只能固定补偿)，实现了动态跟踪补偿，而且可以既补谐波又补无功。三相电路瞬时无功功率理论是APF发展的主要基础理论;APF有并联型和串联型两种，前者用的多;并联有源滤波器主要是治理电流谐波，串联有源滤波器主要是治理电压谐波等引起的问题。有源滤波器同无源滤波器比较，治理效果好，主要可以同时滤除多次及高次谐波，不会引起谐振，但是价位相对高!有源电力滤波器，是采用现代电力电子技术和基于高速DSP器件的数字信号处理技术制成的新型电力谐波治理专用设备。它由指令电流运算电路和补偿电流发生电路两个主要部分组成。指令电流运算电路实时监视线路中的电流，并将模拟电流信号转换为数字信号，送入高速数字信号处理器(DSP)对信号进行处理，将谐波与基波分离，并以脉宽调制(PWM)信号形式向补偿电流发生电路送出驱动脉冲，驱动IGBT或IPM功率模块，生成与电网谐波电流幅值相等、极性相反的补偿电流注入电网，对谐波电流进行补偿或抵消，主动消除电力谐波。

在高阶滤波器链中添加缓冲运算放大器还可以减少链中每个环节之间的衰减，并防止链中的滤波器元件扭曲链中其他滤波器元件的滤波器特性。

例如，我们看下面的二阶低通滤波器，那么可以看到，第二个滤波器的电阻元件不仅仅是R2=10k，而是 R1 + R2 = 20k。而第一个滤波器中的电容，不仅需要考虑C1的电容，还需要考虑C2的电容。

二阶低通滤波器

截止频率公式：F= 1/2πRC

这具有降低滤波器截止频率的效果。

降低滤波器截止频率

对于10k 和 1nF 的 R 和 C 值，预计截止频率(第一滤波器级为 -3dB，第二滤波器级为 -6dB)为 15.9kHz，但发现它略低于该值。

这里要注意，二阶阶段1的频率响应如何遵循二级阶段2的频率响应。在低频下，电容充当开路，但在较高频率下，二阶级1跟在一阶滤波器之后，因此C1开始充当短路电路，其电阻(与 R2 相比)较低。

如果我们在滤波器第二级中降低电阻并增加电容(但保持相同的 RC 常数)，这种情况会更加明显：

在滤波器第二级中降低电阻并增加电容

这样的话，截止频率会变得更低。

缓解这种情况的一种方法是让第二级的输入阻抗至少比第一级的输出阻抗大一个数量级(10x)，即使R2 比 R1 大 10 倍(并使 C2 小 10 倍) ，保持 RC 恒定)。

二阶滤波器第一级的频率响应与一阶滤波器的频率响应非常匹配

现在可以看到二阶滤波器第一级的频率响应与一阶滤波器的频率响应非常匹配。截止频率也更接近预期的 15.9kHz。

截止频率也更接近预期的 15.9kHz

进一步降低第一级的输出阻抗和/或增加第二级的输出阻抗，就会让截止频率更接近预期，但是不会完全达到预期。

如果增加第三(或第四等)过滤器阶段，问题就会更复杂，这就是为什么要添加缓冲运算放大器原因。

一、钳位滤波器的工作原理

钳位滤波器的工作原理基于对输入信号进行限制，使得输入信号在将其转化为输出信号之前必须满足一定的限制条件。钳位滤波器通常由两个

比较器

和一个反馈

网络

组成。其中一个比较器用于比较输入信号与设定的上限阈值，另一个比较器用于比较输入信号与设定的下限阈值。当输入信号超过上限阈值时，上限比较器将输出高电平，下限比较器输出低电平;当输入信号低于下限阈值时，上限比较器输出低电平，下限比较器输出高电平。反馈网络的作用是将比较器输出反馈给输入信号，以修正输入信号的偏移。

二、钳位滤波器的特点

1. 钳位滤波器能够有效地消除非线性失真带来的偏移问题，提高信号的准确性。

2. 由于钳位滤波器是通过比较输入信号和阈值来实现滤波，因此对于大部分非线性失真信号都能有效处理。

3. 钳位滤波器的输出信号与阈值的关系可以通过调整阈值来控制输出信号的幅值和相位。

三、钳位滤波器的应用

1. 低噪声

放大器

中的偏置控制：钳位滤波器可以用于低噪声放大器中，通过对输入信号的偏置进行修正，减少放大器的非线性失真，使得输出信号更加准确。

2. 输出级直流偏置的消除：在某些电子设备中，由于工作环境的不稳定性或者器件

参数

的波动，输出级的直流偏置经常会出现变化，使用钳位滤波器可以修正这种偏置，并保持输出信号始终在设定范围内。

3.

传感器

信号处理：传感器在实际应用中往往会受到各种干扰，导致输出信号不准确。使用钳位滤波器可以在一定程度上抑制干扰信号，提高传感器信号的准确性。

4.

数字信号

后处理：在数字信号处理中，钳位滤波器可以用于对

模拟

信号进行数字化后的处理，消除由于A/D转换等非线性引起的误差，提高数字信号的质量和准确度。

综上所述，钳位滤波器是一种可靠、高效的信号

处理器

件，它能够消除非线性失真引起的偏移问题，提高信号的准确性和可靠性。在电子电路中的应用非常广泛，特别适用于需要对信号进行修正和滤波的场合。随着科学技术的不断发展，钳位滤波器的应用也将得到进一步的扩展和改进。

无源滤波电路的结构简单，易于设计，但它的通带放大倍数及其截止频率都随负载而变化，因而不适用于信号处理要求高的场合。

有源滤波电路的负载不影响滤波特性，因此常用于信号处理要求高的场合。有源滤波电路一般由RC网络和集成运放组成，因而必须在合适的直流电源供电的情况下才能使用，同时还可以进行放大。但电路的组成和设计也较复杂。

下面我们就来认识一下有源滤波电路是怎么样的。

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有源低通滤波电路

先看看它的电路构成，对比无源滤波器是不是就是再无源滤波器的基础上添加了一个运放(当然，实际运用时也可能是多阶点入级联而成的)，工程中我们使用时往往都是采用多阶滤波，在一定条件下多阶滤波电路性能会更好，它的优势最前面介绍无源滤波器的视频中演示过，没注意到的朋友可以回头再看一下。与无源滤波电路一样，我们可以计算出它的截止频率，又由运放基础“虚短”，“虚断”知识，我们可以计算出在截止频率前电路的增益。传递函数如果看不懂先不要纠结，这里就先简单知道它就是输入输出信号的关系式。这个还是最简单的，多级级联就更复杂了，容易把人看懵，我们的工作不是要死记硬背这些公式，而是学会具体问题具体分析，后面我还会专门介绍一些设计滤波电路的工具，也会用到一些常用的滤波器模型以供我们选择，所以我们具体应用时先根据需求分析需要什么功能的电路，再用工具设计获得初步的参数，然后再实际电路上测试结果，最后修正得到符合功能要求的稳定的参数。所以还是希望你看了之后不要谈“图”色变，但对于要专研的朋友就必须要多看看课本或查找资料学习了。我在这里也不例举多阶电路了。

有源带阻滤波电路

与有源带通滤波电路相仿，这是由低通并联高通电路得到的，看图片是不是又看到了熟悉的双T电路了?

因为带通，带阻电路是由高通低通组合而来，高通，低通电路都有非常多的应用形式了，再组合就更多了，不好统一分析，所以这里就都没做过多介绍。