一：前言

濾波器是由電容、電感和電阻構(gòu)成的電路，其主要功能是有效地過濾掉電源線中特定頻率以外的頻率。使用濾波器可以提取出所需的特定頻率信號(hào)，或者消除電源信號(hào)中的特定頻率成分。濾波器被認(rèn)為是一種選擇性頻率傳遞裝置，能夠允許特定頻率成分通過，并明顯減弱或抑制其他頻率成分。通過利用濾波器的特性，我們可以消除干擾噪聲或進(jìn)行頻譜分析。準(zhǔn)確來說，濾波器是一種用于過濾波形的器件，它可以使特定頻率的波形通過，并大幅度降低或阻止其他頻率的波形傳輸。

濾波是信號(hào)處理中的一種重要技術(shù)，其目的是從混合信號(hào)中提取我們需要的信號(hào)成分或者減小不需要的成分。在直流穩(wěn)壓電源中，濾波電路的主要作用是濾除脈動(dòng)的直流電壓中的交流成分，從而降低輸出電壓的紋波系數(shù)，使波形更加平滑。

具體來說，濾波電路利用某些元件（如電容、電感）的頻率特性來吸收或阻止特定頻率的信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)的平滑處理。這些元件可以看作是一種“濾波器”，它們能夠選擇性地讓某些頻率的信號(hào)通過，而阻止其他頻率的信號(hào)。

例如，在電源中，如果有一個(gè)脈動(dòng)的直流電壓信號(hào)，其波形可能并不是完全平滑的，而是包含了一些小的波動(dòng)或紋波。這些紋波通常是由于電源中的交流成分引起的。通過使用濾波電路，我們可以減少這些紋波的影響，從而得到一個(gè)更加平滑、穩(wěn)定的直流輸出電壓。

總之，濾波電路在直流穩(wěn)壓電源中的作用是幫助提取和保留所需的直流成分，同時(shí)減小交流成分的影響，使輸出電壓更加穩(wěn)定和平滑。

二、濾波器的關(guān)鍵分類

根據(jù)處理信號(hào)類型的不同，濾波器主要分為模擬濾波器和數(shù)字濾波器兩大類。

1、無源濾波器的五大類別：

無源濾波器則根據(jù)所通過信號(hào)的頻率范圍，可以分為低通、高通、帶通、帶阻和全通濾波器五種。

低通濾波器：這種濾波器主要允許信號(hào)中的低頻或直流分量通過，而對(duì)高頻分量或干擾和噪聲進(jìn)行抑制。

高通濾波器：與低通濾波器相反，它主要允許信號(hào)中的高頻分量通過，而對(duì)低頻或直流分量進(jìn)行抑制。

帶通濾波器：這種濾波器主要允許一定頻段的信號(hào)通過，而對(duì)低于或高于該頻段的信號(hào)、干擾和噪聲進(jìn)行抑制。

帶阻濾波器：也被稱為陷波濾波器，它的作用與帶通濾波器相反，主要抑制一定頻段內(nèi)的信號(hào)，允許該頻段以外的信號(hào)通過。

全通濾波器：這種濾波器在整個(gè)頻帶范圍內(nèi)，信號(hào)的幅值不會(huì)改變，也就是說，全頻帶內(nèi)幅值增益恒等于1。全通濾波器一般用于改變輸入信號(hào)的相位，理想情況下，相移與頻率成正比，相當(dāng)于一個(gè)時(shí)間延時(shí)系統(tǒng)。

2、根據(jù)濾波器的構(gòu)成元件分類：

根據(jù)所采用的元器件，濾波器可以分為無源和有源濾波器兩種。無源濾波器主要由電阻、電容、電感等無源元件構(gòu)成，而有源濾波器則主要由RC和運(yùn)算放大器、晶體管等有源元件構(gòu)成。

3、根據(jù)濾波器的位置分類：

根據(jù)濾波器的安裝位置不同，濾波器一般分為板上濾波器和面板濾波器兩種。板上濾波器是安裝在電路板上的濾波器，而面板濾波器則是安裝在面板上的濾波器。

板上濾波器是安裝在電路板上的濾波器，例如PLB和JLB系列濾波器。這種濾波器的優(yōu)點(diǎn)在于經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，然而其高頻濾波效果并不理想。

主要原因包括以下幾點(diǎn)：

濾波器的輸入與輸出之間缺乏有效的隔離，因此容易發(fā)生信號(hào)耦合；

濾波器的接地阻抗較高，這在一定程度上削弱了高頻旁路效果；

濾波器與機(jī)箱之間的一段連線會(huì)產(chǎn)生兩種不良作用。首先，機(jī)箱內(nèi)部的電磁干擾可能會(huì)直接感應(yīng)到這段線上，并沿著電纜傳播出去，使濾波器失去作用。其次，外界干擾在濾波器濾波之前可能會(huì)通過這段線產(chǎn)生輻射，或者直接與電路板上的電路發(fā)生耦合，導(dǎo)致敏感度問題；

濾波陣列板和濾波連接器等面板濾波器通常會(huì)直接安裝在屏蔽機(jī)箱的金屬面板上。由于直接固定在金屬面板上，濾波器的輸入與輸出之間得到了完全的隔離，接地效果良好。電纜上的干擾在機(jī)箱端口處被有效濾除，因此濾波效果相當(dāng)出色。

三、濾波器的工作原理

低通濾波器

電感阻止高頻信號(hào)通過而允許低頻信號(hào)通過，電容的特性卻相反。信號(hào)能夠通過電感的濾波器、或者通過電容連接到地的濾波器對(duì)于低頻信號(hào)的衰減要比高頻信號(hào)小，稱為低通濾波器。

低通濾波器原理很簡(jiǎn)單，它就是利用電容通高頻阻低頻、電感通低頻阻高頻的原理。對(duì)于需要截止的高頻，利用電容吸收電感、阻礙的方法不使它通過，對(duì)于需要放行的低頻，利用電容高阻、電感低阻的特點(diǎn)讓它通過。

高通濾波器

最簡(jiǎn)單的高通濾波器是“一階高通濾波器”，它的特性一般用一階線性微分方程表示，它的左邊與一階低通濾波器完全相同，僅右邊是激勵(lì)源的導(dǎo)數(shù)而不是激勵(lì)源本身。當(dāng)較低的頻率通過該系統(tǒng)時(shí)，沒有或幾乎沒有什么輸出，而當(dāng)較高的頻率通過該系統(tǒng)時(shí)，將會(huì)受到較小的衰減。

實(shí)際上，對(duì)于極高的頻率而言，電容器相當(dāng)于“短路”一樣，這些頻率，基本上都可以在電阻兩端獲得輸出。

高通濾波器除可以用元件外，還可以用LC構(gòu)成。

帶通濾波器

帶通濾波器是一種僅允許特定頻率通過，同時(shí)對(duì)其余頻率的信號(hào)進(jìn)行有效抑制的電路。由于它對(duì)信號(hào)具有選擇性，故而被廣泛地應(yīng)用現(xiàn)在電子設(shè)計(jì)中。比如RLC振蕩回路就是一個(gè)模擬帶通濾波器。帶通濾波器是指能通過某一頻率范圍內(nèi)的頻率分量、但將其他范圍的頻率分量衰減到極低水平的濾波器，與帶阻濾波器的概念相對(duì)。

一個(gè)理想的帶通濾波器應(yīng)該有一個(gè)完全平坦的通帶，在通帶內(nèi)沒有放大或者衰減。實(shí)際上，并不存在理想的帶通濾波器。濾波器并不能夠?qū)⑵谕l率范圍外的所有頻率完全衰減掉，尤其是在所要的通帶外還有一個(gè)被衰減但是沒有被隔離的范圍。這通常稱為濾波器的滾降現(xiàn)象，并且使用每十倍頻的衰減幅度的dB數(shù)來表示。通常，濾波器的設(shè)計(jì)盡量保證滾降范圍越窄越好，這樣濾波器的性能就與設(shè)計(jì)更加接近。然而，隨著滾降范圍越來越小，通帶就變得不再平坦，開始出現(xiàn)“波紋”。這種現(xiàn)象在通帶的邊緣處尤其明顯，這種效應(yīng)稱為吉布斯現(xiàn)象。

四、濾波器的作用

濾波器是用于過濾波形的電子器件。在電子技術(shù)領(lǐng)域中，“波”通常指的是描述各種物理量隨時(shí)間變化的過程，這個(gè)過程可以通過傳感器轉(zhuǎn)換為電壓或電流的時(shí)間函數(shù)，也被稱為信號(hào)。由于時(shí)間連續(xù)取值，這些信號(hào)被視為連續(xù)時(shí)間信號(hào)或模擬信號(hào)。隨著數(shù)字計(jì)算機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，為了便于計(jì)算機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，連續(xù)時(shí)間信號(hào)被轉(zhuǎn)換為離散時(shí)間信號(hào)的理論和方法得以發(fā)展。因此，我們可以將原始模擬信號(hào)在一系列離散時(shí)間點(diǎn)上的樣本值視為原始信號(hào)的離散樣本，而不丟失任何信息。波形、信號(hào)等概念是客觀世界中各種物理量變化的表達(dá)，也是現(xiàn)代社會(huì)賴以生存的各種信息的載體。信息的傳遞依賴于波形信號(hào)的傳輸，而在其產(chǎn)生、轉(zhuǎn)換和傳輸?shù)母鱾€(gè)環(huán)節(jié)都可能受到環(huán)境和干擾的影響而產(chǎn)生畸變。在很多情況下，這種畸變可能非常嚴(yán)重，導(dǎo)致信號(hào)及其所攜帶的信息被噪聲所淹沒。

五、濾波器的應(yīng)用

在各個(gè)行業(yè)中，濾波器都扮演著重要的角色。以下是幾個(gè)行業(yè)中濾波器的應(yīng)用示例：

通信行業(yè)：為滿足大規(guī)模數(shù)據(jù)中心機(jī)房的運(yùn)行需求，通信配電系統(tǒng)中的UPS容量不斷增加。據(jù)研究，通信系統(tǒng)中的主要諧波源設(shè)備包括UPS、開關(guān)電源和變頻空調(diào)等。這些設(shè)備產(chǎn)生的諧波含量較高，并且具有高功率因數(shù)。通過使用有源濾波器可以提高通信系統(tǒng)和配電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，延長(zhǎng)設(shè)備壽命，并使配電系統(tǒng)符合諧波環(huán)境的設(shè)計(jì)規(guī)范。

半導(dǎo)體行業(yè)：許多半導(dǎo)體企業(yè)面臨嚴(yán)重的三次諧波問題，主要是由于大量使用單相整流設(shè)備所致。三次諧波屬于零序諧波，會(huì)造成中性線過載甚至引發(fā)火災(zāi)，對(duì)生產(chǎn)安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。此外，諧波還可能導(dǎo)致斷路器跳閘，影響生產(chǎn)進(jìn)程，并加速變壓器老化。因此，在半導(dǎo)體行業(yè)中使用有源濾波器可以有效解決這些問題。

石化行業(yè)：石化行業(yè)中存在大量泵類負(fù)載，其中很多配備了變頻器。變頻器的廣泛應(yīng)用導(dǎo)致配電系統(tǒng)中的諧波含量顯著增加。特別是六脈沖整流器會(huì)產(chǎn)生5次、7次和11次諧波。這種諧波污染對(duì)電力設(shè)備效率和壽命產(chǎn)生影響，并引起計(jì)量方面的偏差。使用有源濾波器可以有效解決這些問題。

化纖行業(yè)：為了提高熔化率和玻璃的熔化質(zhì)量，以及延長(zhǎng)爐齡和節(jié)約能源，化纖行業(yè)經(jīng)常使用電助熔加熱設(shè)備。這些設(shè)備產(chǎn)生大量諧波，尤其是三相諧波的頻譜和幅值差異較大。

鋼鐵/中頻加熱行業(yè)：鋼鐵工業(yè)中使用的中頻爐、軋機(jī)、電弧爐等設(shè)備對(duì)電網(wǎng)的電能質(zhì)量產(chǎn)生重大影響。這些設(shè)備可能導(dǎo)致電容補(bǔ)償柜過載保護(hù)頻繁觸發(fā)、變壓器和供電線路過熱、熔斷器頻繁斷開，甚至造成電壓下降和閃變現(xiàn)象。

汽車制造業(yè)：焊接機(jī)是汽車制造業(yè)中必不可少的設(shè)備。由于焊接機(jī)具有隨機(jī)性、快速性和沖擊性，大量使用焊接機(jī)會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的電能質(zhì)量問題，進(jìn)而影響焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性。例如，高度自動(dòng)化的機(jī)器人可能因電壓波動(dòng)而無法正常工作，無功補(bǔ)償系統(tǒng)也無法正常運(yùn)行。

審核編輯：湯梓紅