一：前言

濾波器是由電容、電感和電阻構成的電路，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，或者消除電源信號中的特定頻率成分。濾波器被認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行頻譜分析。準確來說，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。

濾波是信號處理中的一種重要技術，其目的是從混合信號中提取我們需要的信號成分或者減小不需要的成分。在直流穩壓電源中，濾波電路的主要作用是濾除脈動的直流電壓中的交流成分，從而降低輸出電壓的紋波系數，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，從而實現信號的平滑處理。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通過，而阻止其他頻率的信號。

例如，在電源中，如果有一個脈動的直流電壓信號，其波形可能并不是完全平滑的，而是包含了一些小的波動或紋波。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，從而得到一個更加平滑、穩定的直流輸出電壓。

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

二、濾波器的關鍵分類

根據處理信號類型的不同，濾波器主要分為模擬濾波器和數字濾波器兩大類。

1、無源濾波器的五大類別：

無源濾波器則根據所通過信號的頻率范圍，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中的低頻或直流分量通過，而對高頻分量或干擾和噪聲進行抑制。

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

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

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的信號，允許該頻段以外的信號通過。

全通濾波器：這種濾波器在整個頻帶范圍內，信號的幅值不會改變，也就是說，全頻帶內幅值增益恒等于1。全通濾波器一般用于改變輸入信號的相位，理想情況下，相移與頻率成正比，相當于一個時間延時系統。

2、根據濾波器的構成元件分類：

根據所采用的元器件，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、電感等無源元件構成，而有源濾波器則主要由RC和運算放大器、晶體管等有源元件構成。

3、根據濾波器的位置分類：

根據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。這種濾波器的優點在于經濟實惠，然而其高頻濾波效果并不理想。

主要原因包括以下幾點：

濾波器的輸入與輸出之間缺乏有效的隔離，因此容易發生信號耦合；

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；

濾波器與機箱之間的一段連線會產生兩種不良作用。首先，機箱內部的電磁干擾可能會直接感應到這段線上，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通過這段線產生輻射，或者直接與電路板上的電路發生耦合，導致敏感度問題；

濾波陣列板和濾波連接器等面板濾波器通常會直接安裝在屏蔽機箱的金屬面板上。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。電纜上的干擾在機箱端口處被有效濾除，因此濾波效果相當出色。

三、濾波器的工作原理

低通濾波器

電感阻止高頻信號通過而允許低頻信號通過，電容的特性卻相反。信號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于低頻信號的衰減要比高頻信號小，稱為低通濾波器。

低通濾波器原理很簡單，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，對于需要放行的低頻，利用電容高阻、電感低阻的特點讓它通過。

高通濾波器

最簡單的高通濾波器是“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，僅右邊是激勵源的導數而不是激勵源本身。當較低的頻率通過該系統時，沒有或幾乎沒有什么輸出，而當較高的頻率通過該系統時，將會受到較小的衰減。

實際上，對于極高的頻率而言，電容器相當于“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，同時對其余頻率的信號進行有效抑制的電路。由于它對信號具有選擇性，故而被廣泛地應用現在電子設計中。比如RLC振蕩回路就是一個模擬帶通濾波器。帶通濾波器是指能通過某一頻率范圍內的頻率分量、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。

一個理想的帶通濾波器應該有一個完全平坦的通帶，在通帶內沒有放大或者衰減。實際上，并不存在理想的帶通濾波器。濾波器并不能夠將期望頻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象，并且使用每十倍頻的衰減幅度的dB數來表示。通常，濾波器的設計盡量保證滾降范圍越窄越好，這樣濾波器的性能就與設計更加接近。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“波紋”。這種現象在通帶的邊緣處尤其明顯，這種效應稱為吉布斯現象。

四、濾波器的作用

濾波器是用于過濾波形的電子器件。在電子技術領域中，“波”通常指的是描述各種物理量隨時間變化的過程，這個過程可以通過傳感器轉換為電壓或電流的時間函數，也被稱為信號。由于時間連續取值，這些信號被視為連續時間信號或模擬信號。隨著數字計算機技術的出現和發展，為了便于計算機對信號進行處理，連續時間信號被轉換為離散時間信號的理論和方法得以發展。因此，我們可以將原始模擬信號在一系列離散時間點上的樣本值視為原始信號的離散樣本，而不丟失任何信息。波形、信號等概念是客觀世界中各種物理量變化的表達，也是現代社會賴以生存的各種信息的載體。信息的傳遞依賴于波形信號的傳輸，而在其產生、轉換和傳輸的各個環節都可能受到環境和干擾的影響而產生畸變。在很多情況下，這種畸變可能非常嚴重，導致信號及其所攜帶的信息被噪聲所淹沒。

五、濾波器的應用

在各個行業中，濾波器都扮演著重要的角色。以下是幾個行業中濾波器的應用示例：

通信行業：為滿足大規模數據中心機房的運行需求，通信配電系統中的UPS容量不斷增加。據研究，通信系統中的主要諧波源設備包括UPS、開關電源和變頻空調等。這些設備產生的諧波含量較高，并且具有高功率因數。通過使用有源濾波器可以提高通信系統和配電系統的穩定性，延長設備壽命，并使配電系統符合諧波環境的設計規范。

半導體行業：許多半導體企業面臨嚴重的三次諧波問題，主要是由于大量使用單相整流設備所致。三次諧波屬于零序諧波，會造成中性線過載甚至引發火災，對生產安全構成嚴重威脅。此外，諧波還可能導致斷路器跳閘，影響生產進程，并加速變壓器老化。因此，在半導體行業中使用有源濾波器可以有效解決這些問題。

石化行業：石化行業中存在大量泵類負載，其中很多配備了變頻器。變頻器的廣泛應用導致配電系統中的諧波含量顯著增加。特別是六脈沖整流器會產生5次、7次和11次諧波。這種諧波污染對電力設備效率和壽命產生影響，并引起計量方面的偏差。使用有源濾波器可以有效解決這些問題。

化纖行業：為了提高熔化率和玻璃的熔化質量，以及延長爐齡和節約能源，化纖行業經常使用電助熔加熱設備。這些設備產生大量諧波，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：鋼鐵工業中使用的中頻爐、軋機、電弧爐等設備對電網的電能質量產生重大影響。這些設備可能導致電容補償柜過載保護頻繁觸發、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象。

汽車制造業：焊接機是汽車制造業中必不可少的設備。由于焊接機具有隨機性、快速性和沖擊性，大量使用焊接機會導致嚴重的電能質量問題，進而影響焊接質量的穩定性。例如，高度自動化的機器人可能因電壓波動而無法正常工作，無功補償系統也無法正常運行。

審核編輯：湯梓紅