Пасивен нискочестотен филтър

Този урок е за пасивен нискочестотен филтър, широко използван термин в електрониката. Ще чуете или използвате този „технически“ термин почти всеки път в обучението или в професионалната си кариера. Нека да проучим какво е особеното в този технически термин.

Какво е това, схема, формули, крива?

Да започнем от името. Знаете ли какво е пасивно ? Какво е ниско ? Какво е преминаване и какво е филтър ? Ако разбирате значението на тези четири думи „ Пасивен нискочестотен филтър “, ще разберете 50% от „ Пасивен нискочестотен филтър “, останалите 50%, които ще проучим по-нататък.

“ Пасивен ” - В речника това означава разрешаване или приемане на това, което се случва или какво правят другите, без активен отговор.

„ Нискочестотен филтър “ - това означава преминаване на ниското, което означава и блокиране на високото. Той действа по същия начин като традиционния воден филтър, който имаме в дома / офиса, който блокира примесите и пропуска само чистата вода.

Нискочестотен филтър пропуска ниска честота и блокира по-висока. Традиционна нискочестотна честота на пропускане на филтър, варираща от 30-300Khz (ниска честота) и блок над тази честота, ако се използва в аудио приложение.

Има много неща, свързани с нискочестотен филтър. Както беше описано преди, че ще филтрира нежеланите неща (сигнал) от синусоидален сигнал (AC).

Тъй като пасивно означава, че обикновено не прилагаме външен източник към филтрирания сигнал, той може да бъде направен с помощта на пасивни компоненти, които не се нуждаят от мощност, така че филтрираният сигнал не се усилва, амплитудата на изходния сигнал няма да се увеличи на всяка цена.

Нискочестотните филтри са направени с помощта на резистор и кондензаторна комбинация (RC) за филтриране до 100Khz, но за останалите се използват 100khz-300khz резистор, кондензатор и индуктор (RLC).

Ето схемата на това изображение:

Това е RC филтър. Обикновено към тази серийна комбинация от резистор и неполяризиран кондензатор се подава входен сигнал. Това е филтър от първи ред, тъй като в схемата има само един реактивен компонент, който е кондензатор. Филтрираният изход ще бъде достъпен през кондензатора.

Какво всъщност се случва във веригата е доста интересно.

При ниски честоти реактивното съпротивление на кондензатора ще бъде много голямо от резистивната стойност на резисторите. Така че потенциалът на напрежението на сигнала в кондензатора ще бъде много по-голям от спада на напрежението в резистора.

При по-високи честоти ще се случи точно обратното. Резистивната стойност на резистора се повишава и поради това с ефекта на реактивността на кондензатора напрежението в кондензатора става по-малко.

Ето кривата как изглежда еднакво на изхода на кондензатора: -

Честотен обхват и честота на прекъсване

Нека разберем тази крива по-нататък

f _c е граничната честота на филтъра. Сигналната линия от 0dB / 118Hz до 100 KHz е почти плоска.

Формулата за изчисляване на печалбата е

Gain = 20log (Vout / Vin)

Ако поставим тези стойности, ще видим резултата от печалбата, докато граничната честота е почти 1. 1 единица печалба или 1x печалба се нарича единична печалба.

След изключващия сигнал реакцията на веригата постепенно намалява до 0 (Нула) и този декремент се случва със скорост от -20dB / Десетилетие. Ако изчислим намаляването на октава ще бъде -6dB. В техническата терминология това се нарича „ преобръщане “.

При ниски честоти високото съпротивление на кондензатора спира протичането на ток през кондензатора.

Ако приложим високи честоти над границата на прекъсване, реактивността на кондензатора намалява пропорционално при увеличаване на честотата на сигнала, което води до по-ниско съпротивление на изхода ще бъде 0 като ефект от състоянието на късо съединение в кондензатора.

Това е нискочестотният филтър. Избирайки подходящ резистор и правилен кондензатор, бихме могли да спрем честотата, да ограничим сигнала, без да влияем на сигнала, тъй като няма активна реакция.

В горното изображение има дума Bandwidth. Това означава, към което ще се приложи усилването на единството и сигналът ще бъде блокиран. Така че, ако това е 150 Khz нискочестотен филтър, тогава честотната лента ще бъде 150Khz. След тази честотна лента честотата на сигнала ще намалее и ще спре да преминава през веригата.

Също така има -3dB, това е важно нещо, при граничната честота ще получим -3dB усилване, при което сигналът е отслабен до 70,7% и капацитивното съпротивление и съпротивление е равно на R = Xc.

Каква е формулата на граничната честота?

f _c = 1 / 2πRC

И така, R е съпротивление, а C е капацитет. Ако поставим стойността, ще знаем граничната честота.

Изчисляване на изходното напрежение

Нека видим първото изображение на схемата, където 1 резистор и един кондензатор се използват за образуване на нискочестотен филтър или RC верига.

Когато DC сигналът се прилага през веригата, това е съпротивление на веригата, което създава спад при протичане на ток, но в случай на AC сигнал това е импеданс, който също се измерва в ома.

В RC веригата има две съпротивителни неща. Едното е съпротивление, а другото е капацитивното съпротивление на кондензатора. И така, първо трябва да измерим капацитивното съпротивление на кондензатора, тъй като ще е необходимо за изчисляване на импеданса на веригата.

Първата съпротивителна опозиция е капацитивна реактивност, формулата е:

Xc = 1 / 2π f _c

Изходът на формулата ще бъде в ома, тъй като ома е единицата за капацитивно реактивно съпротивление, тъй като това е опозиция, означава съпротивление.

Втората опозиция е самият резистор. Стойността на резистора също е съпротивление.

Така че, комбинирайки това две противопоставяне, ще получим общото съпротивление, което е импеданс в RC (AC сигнал вход) верига.

Импедансът означава Z.

RC филтърът действа като верига „ зависим от честотата променлив потенциал ”.

Изходното напрежение на този делител е както следва =

Vout = Vin * (R2 / R1 + R2) R1 + R2 = R _T

R1 + R2 са общото съпротивление на веригата и това е същото като импеданса.

Така че, комбинирайки това общо уравнение, ще получим

Чрез решаването на горната формула получаваме последната:

Vout = Vin * (Xc / Z)

Пример с изчисление

Както вече знаем какво всъщност се случва във веригата и как да разберем стойността. Нека изберем практически ценности.

Нека вземем най-често срещаната стойност в резистор и кондензатор, 4.7k и 47nF. Избрахме стойността, тъй като тя е широко достъпна и е по-лесно да се изчисли. Нека видим каква ще бъде граничната честота и изходното напрежение.

Прекъснатата честота ще бъде: -

Чрез решаването на това уравнение граничната честота е 720Hz.

Нека да е вярно или не…

Това е веригата. Тъй като честотната характеристика, описана преди, че при граничната честота, dB ще бъде -3dB, независимо от честотите. Ще търсим -3dB на изходния сигнал и ще видим дали е 720Hz или не. Ето честотната характеристика: -

Както можете да видите честотната характеристика (наричана още Bode Plot), ние задаваме курсора на -3dB (червена стрелка) и получаваме 720Hz (зелена стрелка) ъгъл или честотна лента.

Ако приложим 500Hz сигнал, тогава капацитивното съпротивление ще бъде

Тогава Vout е, когато се прилага 5V Vin при 500Hz: -

Фазово изместване

Тъй като има един кондензатор, свързан с нискочестотния филтър и това е променлив сигнал, фазовият ъгъл обозначава като φ (Phi) на изхода е -45

Това е кривата на фазовото изместване. Поставихме курсора на -45

Това е нискочестотен филтър от втори ред. R1 C1 е първи ред и R2 C2 е втори ред. Каскадно заедно те образуват нискочестотен филтър от втори ред.

Филтърът от втори ред има роля на наклон от 2 х -20dB / десетилетие или -40dB (-12dB / октава).

Ето кривата на отговор: -

Курсорът показва граничната точка -3dB в зеления сигнал, който е през първия ред (R1 C1), наклонът при това се виждаше преди -20dB / Десетилетие и червеният на крайния изход, който има наклон -40dB / Десетилетие.

Формулите са: -

Печалба при f _c : -

Това ще изчисли печалбата на нискочестотната верига от втори ред.

Гранична честота: -

На практика наклонът на преобръщане се увеличава според етапа на добавяне на филтър, точката -3dB и честотата на честотната лента се променят от действителната си изчислена стойност по-горе с определена сума.

Това определено количество се изчислява по следното уравнение:

Не е толкова добре да се каскадират два пасивни филтъра, тъй като динамичният импеданс на всеки ред на филтри влияе върху друга мрежа в същата схема.

Приложения

Нискочестотният филтър е широко използвана схема в електрониката.

Ето няколко приложения: -

1. Аудио приемник и еквалайзер
2. Филтър на камерата
3. Осцилоскоп
4. Музикална система за управление и модулация на басовите честоти
5. Генератор на функции
6. Захранване