滤波器的关键分类/工作原理/作用/应用

一：前言

滤波器是由电容、电感和电阻构成的电路，其主要功能是有效地过滤掉电源线中特定频率以外的频率。使用滤波器可以提取出所需的特定频率信号，或者消除电源信号中的特定频率成分。滤波器被认为是一种选择性频率传递装置，能够允许特定频率成分通过，并明显减弱或抑制其他频率成分。通过利用滤波器的特性，我们可以消除干扰噪声或进行频谱分析。准确来说，滤波器是一种用于过滤波形的器件，它可以使特定频率的波形通过，并大幅度降低或阻止其他频率的波形传输。

滤波是信号处理中的一种重要技术，其目的是从混合信号中提取我们需要的信号成分或者减小不需要的成分。在直流稳压电源中，滤波电路的主要作用是滤除脉动的直流电压中的交流成分，从而降低输出电压的纹波系数，使波形更加平滑。

具体来说，滤波电路利用某些元件（如电容、电感）的频率特性来吸收或阻止特定频率的信号，从而实现信号的平滑处理。这些元件可以看作是一种“滤波器”，它们能够选择性地让某些频率的信号通过，而阻止其他频率的信号。

例如，在电源中，如果有一个脉动的直流电压信号，其波形可能并不是完全平滑的，而是包含了一些小的波动或纹波。这些纹波通常是由于电源中的交流成分引起的。通过使用滤波电路，我们可以减少这些纹波的影响，从而得到一个更加平滑、稳定的直流输出电压。

总之，滤波电路在直流稳压电源中的作用是帮助提取和保留所需的直流成分，同时减小交流成分的影响，使输出电压更加稳定和平滑。

二、滤波器的关键分类

根据处理信号类型的不同，滤波器主要分为模拟滤波器和数字滤波器两大类。

1、无源滤波器的五大类别：

无源滤波器则根据所通过信号的频率范围，可以分为低通、高通、带通、带阻和全通滤波器五种。

低通滤波器：这种滤波器主要允许信号中的低频或直流分量通过，而对高频分量或干扰和噪声进行抑制。

高通滤波器：与低通滤波器相反，它主要允许信号中的高频分量通过，而对低频或直流分量进行抑制。

带通滤波器：这种滤波器主要允许一定频段的信号通过，而对低于或高于该频段的信号、干扰和噪声进行抑制。

带阻滤波器：也被称为陷波滤波器，它的作用与带通滤波器相反，主要抑制一定频段内的信号，允许该频段以外的信号通过。

全通滤波器：这种滤波器在整个频带范围内，信号的幅值不会改变，也就是说，全频带内幅值增益恒等于1。全通滤波器一般用于改变输入信号的相位，理想情况下，相移与频率成正比，相当于一个时间延时系统。

2、根据滤波器的构成元件分类：

根据所采用的元器件，滤波器可以分为无源和有源滤波器两种。无源滤波器主要由电阻、电容、电感等无源元件构成，而有源滤波器则主要由RC和运算放大器、晶体管等有源元件构成。

3、根据滤波器的位置分类：

根据滤波器的安装位置不同，滤波器一般分为板上滤波器和面板滤波器两种。板上滤波器是安装在电路板上的滤波器，而面板滤波器则是安装在面板上的滤波器。

板上滤波器是安装在电路板上的滤波器，例如PLB和JLB系列滤波器。这种滤波器的优点在于经济实惠，然而其高频滤波效果并不理想。

主要原因包括以下几点：

滤波器的输入与输出之间缺乏有效的隔离，因此容易发生信号耦合；

滤波器的接地阻抗较高，这在一定程度上削弱了高频旁路效果；

滤波器与机箱之间的一段连线会产生两种不良作用。首先，机箱内部的电磁干扰可能会直接感应到这段线上，并沿着电缆传播出去，使滤波器失去作用。其次，外界干扰在滤波器滤波之前可能会通过这段线产生辐射，或者直接与电路板上的电路发生耦合，导致敏感度问题；

滤波阵列板和滤波连接器等面板滤波器通常会直接安装在屏蔽机箱的金属面板上。由于直接固定在金属面板上，滤波器的输入与输出之间得到了完全的隔离，接地效果良好。电缆上的干扰在机箱端口处被有效滤除，因此滤波效果相当出色。

三、滤波器的工作原理

低通滤波器

电感阻止高频信号通过而允许低频信号通过，电容的特性却相反。信号能够通过电感的滤波器、或者通过电容连接到地的滤波器对于低频信号的衰减要比高频信号小，称为低通滤波器。

低通滤波器原理很简单，它就是利用电容通高频阻低频、电感通低频阻高频的原理。对于需要截止的高频，利用电容吸收电感、阻碍的方法不使它通过，对于需要放行的低频，利用电容高阻、电感低阻的特点让它通过。

高通滤波器

最简单的高通滤波器是“一阶高通滤波器”，它的特性一般用一阶线性微分方程表示，它的左边与一阶低通滤波器完全相同，仅右边是激励源的导数而不是激励源本身。当较低的频率通过该系统时，没有或几乎没有什么输出，而当较高的频率通过该系统时，将会受到较小的衰减。

实际上，对于极高的频率而言，电容器相当于“短路”一样，这些频率，基本上都可以在电阻两端获得输出。

高通滤波器除可以用元件外，还可以用LC构成。

带通滤波器

带通滤波器是一种仅允许特定频率通过，同时对其余频率的信号进行有效抑制的电路。由于它对信号具有选择性，故而被广泛地应用现在电子设计中。比如RLC振荡回路就是一个模拟带通滤波器。带通滤波器是指能通过某一频率范围内的频率分量、但将其他范围的频率分量衰减到极低水平的滤波器，与带阻滤波器的概念相对。

一个理想的带通滤波器应该有一个完全平坦的通带，在通带内没有放大或者衰减。实际上，并不存在理想的带通滤波器。滤波器并不能够将期望频率范围外的所有频率完全衰减掉，尤其是在所要的通带外还有一个被衰减但是没有被隔离的范围。这通常称为滤波器的滚降现象，并且使用每十倍频的衰减幅度的dB数来表示。通常，滤波器的设计尽量保证滚降范围越窄越好，这样滤波器的性能就与设计更加接近。然而，随着滚降范围越来越小，通带就变得不再平坦，开始出现“波纹”。这种现象在通带的边缘处尤其明显，这种效应称为吉布斯现象。

四、滤波器的作用

滤波器是用于过滤波形的电子器件。在电子技术领域中，“波”通常指的是描述各种物理量随时间变化的过程，这个过程可以通过传感器转换为电压或电流的时间函数，也被称为信号。由于时间连续取值，这些信号被视为连续时间信号或模拟信号。随着数字计算机技术的出现和发展，为了便于计算机对信号进行处理，连续时间信号被转换为离散时间信号的理论和方法得以发展。因此，我们可以将原始模拟信号在一系列离散时间点上的样本值视为原始信号的离散样本，而不丢失任何信息。波形、信号等概念是客观世界中各种物理量变化的表达，也是现代社会赖以生存的各种信息的载体。信息的传递依赖于波形信号的传输，而在其产生、转换和传输的各个环节都可能受到环境和干扰的影响而产生畸变。在很多情况下，这种畸变可能非常严重，导致信号及其所携带的信息被噪声所淹没。

五、滤波器的应用

在各个行业中，滤波器都扮演着重要的角色。以下是几个行业中滤波器的应用示例：

通信行业：为满足大规模数据中心机房的运行需求，通信配电系统中的UPS容量不断增加。据研究，通信系统中的主要谐波源设备包括UPS、开关电源和变频空调等。这些设备产生的谐波含量较高，并且具有高功率因数。通过使用有源滤波器可以提高通信系统和配电系统的稳定性，延长设备寿命，并使配电系统符合谐波环境的设计规范。

半导体行业：许多半导体企业面临严重的三次谐波问题，主要是由于大量使用单相整流设备所致。三次谐波属于零序谐波，会造成中性线过载甚至引发火灾，对生产安全构成严重威胁。此外，谐波还可能导致断路器跳闸，影响生产进程，并加速变压器老化。因此，在半导体行业中使用有源滤波器可以有效解决这些问题。

石化行业：石化行业中存在大量泵类负载，其中很多配备了变频器。变频器的广泛应用导致配电系统中的谐波含量显著增加。特别是六脉冲整流器会产生5次、7次和11次谐波。这种谐波污染对电力设备效率和寿命产生影响，并引起计量方面的偏差。使用有源滤波器可以有效解决这些问题。

化纤行业：为了提高熔化率和玻璃的熔化质量，以及延长炉龄和节约能源，化纤行业经常使用电助熔加热设备。这些设备产生大量谐波，尤其是三相谐波的频谱和幅值差异较大。

钢铁/中频加热行业：钢铁工业中使用的中频炉、轧机、电弧炉等设备对电网的电能质量产生重大影响。这些设备可能导致电容补偿柜过载保护频繁触发、变压器和供电线路过热、熔断器频繁断开，甚至造成电压下降和闪变现象。

汽车制造业：焊接机是汽车制造业中必不可少的设备。由于焊接机具有随机性、快速性和冲击性，大量使用焊接机会导致严重的电能质量问题，进而影响焊接质量的稳定性。例如，高度自动化的机器人可能因电压波动而无法正常工作，无功补偿系统也无法正常运行。

审核编辑：汤梓红