Подробное объяснение принципа и функции фильтров

Фильтр — это устройство, используемое для фильтрации волн, обычно имеющее два порта: один для входных сигналов и один для выходных сигналов. Как критически важный электронный компонент, фильтр передает энергию источника питания оборудованию, одновременно значительно ослабляя электромагнитные помехи (EMI), передаваемые через источник питания, тем самым защищая оборудование. Кроме того, он эффективно контролирует сигналы EMI, генерируемые самим оборудованием, предотвращая их попадание в электросеть, загрязнение электромагнитной среды и повреждение других устройств. Итак, как работает фильтр и каковы его функции? Эта статья познакомит с принципами, концепциями фильтрации и применением фильтров.

Фильтры в основном состоят из цепей низкочастотной фильтрации, состоящих из индуктивностей и конденсаторов. Эти цепи позволяют прохождение тока для полезных сигналов, одновременно значительно ослабляя помехи более высокой частоты. Поскольку помехи могут быть как дифференциального, так и общего режима, фильтры должны ослаблять оба типа. Основные принципы фильтрации включают:

(1) Используя свойство конденсаторов пропускать высокие частоты и блокировать низкие частоты, высокочастотные помеховые токи на фазном и нейтральном проводах могут быть направлены на землю (общий режим) или с фазного провода на нейтральный провод (дифференциальный режим).

(2) Использование характеристик импеданса индуктивных катушек для отражения высокочастотных помеховых токов обратно к источнику помех.

(3) Используя ферриты подавления помех, которые могут поглощать и преобразовывать помеховые сигналы в определенных частотных диапазонах в тепло. Подходящие ферритовые бусины или кольца могут быть непосредственно размещены на кабелях, требующих фильтрации, в зависимости от частотного диапазона помехового сигнала.

Фильтрация является важной концепцией в обработке сигналов. Роль фильтрующего устройства заключается в минимизации переменных токов (AC) в пульсирующем постоянном токе (DC) напряжения, сохраняя его постоянный компонент, тем самым уменьшая коэффициент пульсации выходного напряжения и сглаживая форму волны.

В общем, фильтрацию можно разделить на классическую фильтрацию и современную фильтрацию.

Классическая фильтрация — это инженерная концепция, основанная на анализе и преобразованиях Фурье. Согласно продвинутой математической теории, любой сигнал, удовлетворяющий определённым условиям, может рассматриваться как суперпозиция бесконечного числа синусоидальных волн. Другими словами, инженерные сигналы являются линейными суперпозициями синусоидальных волн различной частоты. Различные синусоидальные волны, составляющие сигнал, называются его частотными компонентами или гармоническими компонентами. Цепь, которая позволяет проходить только компонентам сигнала в пределах определённого диапазона частот, блокируя остальные, называется классическим фильтром или фильтрационной цепью.

В классической и современной фильтрации модели фильтров по сути одинаковы (аппаратные фильтры не претерпели значительных изменений). Однако современная фильтрация включает в себя многие концепции цифровой фильтрации.

(1) Отделение полезных сигналов от шума для улучшения способности сигнала к противодействию помехам и соотношения сигнал/шум.

(2) Фильтрация неинтересных частотных компонентов для повышения точности анализа.

(3) Изолирование одного частотного компонента из сложных частотных компонентов.

Фильтры используются для улучшения качества энергии, линейности цепи, снижения различных типов помех, нелинейных искажений, а также гармонических помех. Для оружейных систем фильтры применяются в следующих сценариях:

(1) В дополнение к установке фильтров питания на основной системе распределения электроэнергии и подсистемах распределения, фильтры должны быть установлены на источнике питания, поступающем ко всем устройствам. Предпочтительно использовать фильтры между линиями, а не фильтры на землю.

(2) Для оборудования, чувствительного к импульсным помехам и переходным помехам, при использовании изолирующего трансформатора для питания следует добавить фильтр на отрицательном выводе.

(3) При подаче питания на оружейные системы, содержащие электро-взрывные устройства, должны быть установлены фильтры. При необходимости фильтры также должны быть добавлены к проводам электро-взрывных устройств.

(4) Фильтры должны быть установлены на интерфейсах между различными подсистемами или оборудованием для подавления помех и обеспечения совместимости.

(5) Сигналы управления для оборудования и подсистем должны иметь фильтры или конденсаторы обхода, добавленные как на входных, так и на выходных концах.

Эта статья обобщает принципы, концепции фильтрации, параметры, функции и аспекты применения фильтров. С учетом широкого разнообразия доступных фильтров, каждый из которых имеет разные характеристики производительности, выбор правильного фильтра требует комплексного учета фактической операционной среды клиента и требований к производительности для того, чтобы сделать правильный, эффективный и надежный выбор.