Pasīvais zemfrekvences filtrs

Šī apmācība ir par pasīvo zemas caurlaidības filtru, plaši izmantoto terminu elektronikā. Šo "tehnisko" terminu jūs dzirdēsiet vai izmantosiet gandrīz katru reizi studijās vai profesionālajā karjerā. Izpētīsim, kas šajā tehniskajā terminā ir īpašs.

Kas tas ir, ķēde, formulas, līkne?

Sāksim no nosaukuma. Vai jūs zināt, kas ir pasīvs ? Kas ir zems ? Kas iet garām un kas ir Filtrs ? Ja jūs saprotat šo četru vārdu “ Pasīvais zemas caurlaidības filtrs ” nozīmi, jūs sapratīsit 50% no “ Pasīvā zemas caurlaidības filtra ” pārējiem 50%, kurus izpētīsim tālāk.

“ Pasīvs ” - vārdnīcā tas nozīmē atļaut vai pieņemt to, kas notiek vai ko citi dara, bez aktīvas atbildes.

“ Zemfrekvences filtrs ” - tas nozīmē, ka jāpārvar tas, kas ir zems, tas nozīmē arī, ka tiek bloķēts tas, kas ir augsts. Tas darbojas tāpat kā tradicionālais ūdens filtrs, kas mums ir mūsu mājās / birojā, kas bloķē piemaisījumus un izlaiž tikai tīru ūdeni.

Zemfrekvences filtrs iziet zemu frekvenci un bloķē augstāku. Tradicionāla zemfrekvences filtra caurlaides frekvence, kas svārstās no 30-300Khz (zema frekvence), un bloķē virs šīs frekvences, ja to izmanto audio lietojumprogrammā.

Ar zemas caurlaidības filtru ir saistītas daudzas lietas. Kā tas tika aprakstīts iepriekš, tas filtrēs sinusoidālā signāla (AC) nevēlamās lietas (signālu ).

Tā kā pasīvie līdzekļi filtrētajam signālam parasti nepiemēro nekādu ārēju avotu, to var izgatavot, izmantojot pasīvos komponentus, kuriem nav nepieciešama jauda, tāpēc filtrētais signāls netiek pastiprināts, izejas signāla amplitūda nepalielināsies par katru cenu.

Zemfrekvences filtri tiek izgatavoti, izmantojot rezistoru un kondensatoru kombināciju (RC), lai filtrētu līdz 100Khz, bet pārējiem tiek izmantoti rezistori, kondensatori un induktori (RLC).

Šī shēma ir šajā attēlā:

Tas ir RC filtrs. Parasti šai rezistora un nepolarizētā kondensatora kombinācijai tiek ievadīts ieejas signāls. Tas ir pirmās kārtas filtrs, jo ķēdē ir tikai viens reaktīvs komponents, kas ir kondensators. Filtrētā izeja būs pieejama pāri kondensatoram.

Tas, kas patiesībā notiek ķēdes iekšienē, ir diezgan interesants.

Zemās frekvencēs kondensatora reaktivitāte būs ļoti liela nekā rezistoru pretestības vērtība. Tātad signāla sprieguma potenciāls pāri kondensatoram būs daudz lielāks nekā sprieguma kritums visā rezistorā.

Augstākās frekvencēs notiks tieši pretēja lieta. Rezistora pretestības vērtība kļūst lielāka, un līdz ar to kondensatora reaktivitātes ietekmē spriegums pāri kondensatoram kļuva mazāks.

Lūk, kā tas izskatās līdzīgi kondensatora izejā: -

Frekvences reakcija un izslēgšanas frekvence

Sapratīsim šo līkni tālāk

f _c ir filtra nogriešanas biežums. Signāla līnija no 0dB / 118Hz līdz 100 KHz ir gandrīz plakana.

Guvuma aprēķināšanas formula ir

Peļņa = 20log (Vout / Vin)

Ja mēs ieliekam šīs vērtības, mēs redzēsim pieauguma rezultātu, līdz izslēgšanas frekvence būs gandrīz 1. 1 vienības pieaugumu vai 1x pieaugumu sauc par vienības pieaugumu.

Pēc izslēgšanas signāla ķēdes reakcija pakāpeniski samazinās līdz 0 (nulle), un šis samazinājums notiek ar ātrumu -20dB / desmitgade. Ja mēs aprēķinām samazinājumu uz oktāvu, tas būs -6dB. Tehniskajā terminoloģijā to sauc par “ roll-off ”.

Zemās frekvencēs kondensatora augsta reaktivitāte pārtrauc strāvas plūsmu caur kondensatoru.

Ja mēs izmantojam augstas frekvences virs robežvērtības, kondensatora reaktivitāte proporcionāli samazinās, palielinoties signāla frekvencei, kā rezultātā zemāka reaktivitāte izejas būs 0 kā īssavienojuma stāvokļa ietekme uz kondensatoru.

Tas ir zemfrekvences filtrs. Izvēloties atbilstošu rezistoru un pareizu kondensatoru, mēs varētu apturēt frekvenci, ierobežot signālu, neietekmējot signālu, jo nav aktīvas atbildes.

Iepriekš redzamajā attēlā ir vārds Bandwidth. Tas norāda, kam tiks piemērots vienotības pieaugums, un signāls tiks bloķēts. Tātad, ja tas ir 150 kHz zemas caurlaidības filtrs, joslas platums būs 150 kHz. Pēc šīs joslas platuma frekvences signāls vājinās un pārtrauks iet cauri shēmai.

Ir arī -3dB, tā ir svarīga lieta, pie atslēgšanas frekvences mēs iegūsim -3dB pieaugumu, kur signāls vājināsies līdz 70,7%, un kapacitatīvā reaktivitāte un pretestība ir vienāda R = Xc.

Kāda ir sliekšņa biežuma formula?

f _c = 1 / 2πRC

Tātad R ir pretestība un C ir kapacitāte. Ja mēs ieliksim vērtību, mēs zināsim sliekšņa biežumu.

Izejas sprieguma aprēķins

Apskatīsim pirmo shēmu, kurā 1 rezistors un viens kondensators tiek izmantots zemas caurlaidības filtra vai RC ķēdes veidošanai.

Kad DC signāls tiek pielietots visā ķēdē, tā ķēdes pretestība rada kritumu, kad strāva plūst, bet maiņstrāvas signāla gadījumā tā pretestība, kas mēra arī omos.

RC ķēdē ir divas pretestības lietas. Viens ir pretestība, bet otrs - kondensatora kapacitatīvā reaktivitāte. Tātad mums vispirms jāmēra kondensatora kapacitatīvā reaktivitāte, kā tas būs nepieciešams, lai aprēķinātu ķēdes pretestību.

Pirmais pretestības pretestība ir kapacitatīvā reaktivitāte, formula ir: -

Xc = 1 / 2π f _c

Formulas iznākums būs omos, jo omi ir kapacitatīvās reaktivitātes mērvienība, jo tā ir opozīcija, kas nozīmē pretestību.

Otrā opozīcija ir pats rezistors. Rezistora vērtība ir arī pretestība.

Tātad, apvienojot šo divu opozīciju, mēs iegūsim kopējo pretestību, kas ir pretestība RC (maiņstrāvas signāla ieejas) ķēdē.

Impedance apzīmē kā Z.

RC filtrs darbojas kā “no frekvences atkarīga mainīgā potenciāla dalītāja ” ķēde.

Šī dalītāja izejas spriegums ir šāds:

Vout = Vin * (R2 / R1 + R2) R1 + R2 = _RT

R1 + R2 ir ķēdes kopējā pretestība, un tā ir tāda pati kā pretestība.

Tātad, apvienojot šo kopējo vienādojumu, mēs iegūsim

Atrisinot iepriekš minēto formulu, mēs iegūstam pēdējo: -

Vout = Vin * (Xc / Z)

Piemērs ar aprēķinu

Kā mēs jau zinām, kas faktiski notiek ķēdes iekšpusē un kā uzzināt vērtību. Izvēlēsimies praktiskas vērtības.

Paņemsim visbiežāk sastopamo vērtību rezistorā un kondensatorā - 4,7k un 47nF. Mēs izvēlējāmies vērtību, jo tā ir plaši pieejama, un to ir vieglāk aprēķināt. Apskatīsim, kāda būs atslēgšanās frekvence un izejas spriegums.

Pārtrauktais biežums būs: -

Atrisinot šo vienādojumu, atslēgšanās frekvence ir 720Hz.

Pieņemsim, kur tā ir patiesība vai nē…

Šī ir ķēde. Kā iepriekš aprakstītā frekvences atbilde pie robežfrekvences dB būs -3dB, neatkarīgi no frekvencēm. Mēs meklēsim -3dB pie izejas signāla un redzēsim, vai tas ir 720Hz vai nav. Šeit ir frekvences atbilde: -

Kā redzat frekvences atbildi (sauktu arī par Bode Plot), mēs iestatām kursoru uz -3dB (sarkanā bulta) un iegūstam 720Hz (zaļā bulta) stūri vai joslas platuma frekvenci.

Ja mēs izmantojam 500Hz signālu, tad kapacitatīvā reaktivitāte būs

Tad Vout tiek lietots, ja tiek izmantots 5 V Vin pie 500Hz: -

Fāzes maiņa

Tā kā ar zemas caurlaidības filtru ir saistīts viens kondensators un tas ir maiņstrāvas signāls, fāzes leņķis izejā apzīmē φ (Phi) -45

Šī ir fāzes nobīdes līkne. Mēs iestatījām kursoru uz -45

Šis ir otrās kārtas zemfrekvences filtrs. R1 C1 ir pirmās kārtas un R2 C2 ir otrās kārtas. Kaskādē tie veido otrās kārtas zemfrekvences filtru.

Otrās pakāpes filtra slīpuma loma ir 2 x -20dB / desmitgades vai -40dB (-12dB / oktāvas).

Šeit ir reakcijas līkne: -

Kursors, kas uzrāda -3dB robežu Zaļajā signālā, kas atrodas pāri pirmajai pakāpei (R1 C1), slīpums šajā laikā bija redzams -20dB / Desmitgades laikā un sarkanais pie gala izejas, kura slīpums ir -40dB / Desmitgade.

Formulas ir: -

Guvums pie f _c : -

Tas aprēķinās otrās kārtas zemfrekvences ķēdes pastiprinājumu.

Atslēgšanās biežums: -

Praktiski nolaišanās slīpuma pieaugums, pievienojot filtru, -3dB punkts un caurlaides joslas frekvence mainās no tā faktiskās aprēķinātās vērtības iepriekš par noteiktu summu.

Šo noteikto summu aprēķina pēc šāda vienādojuma:

Nav tik labi kaskādēt divus pasīvos filtrus, jo katra filtru secības dinamiskā pretestība ietekmē citu tīklu tajā pašā shēmā.

Pieteikumi

Zemfrekvences filtrs tiek plaši izmantots elektronikā.

Šeit ir daži pieteikumi: -

Audio uztvērējs un ekvalaizers
Kameras filtrs
Osciloskops
Mūzikas vadības sistēma un basu frekvences modulācija
Funkciju ģenerators
Enerģijas padeve