Passivt lavpassfilter

Denne opplæringen handler om Passive Low Pass Filter, et mye brukt begrep innen elektronikk. Du vil høre eller bruke dette 'tekniske' begrepet nesten hver gang i studiene eller i din profesjonelle karriere. La oss undersøke hva som er spesielt med dette tekniske begrepet.

Hva er det, krets, formler, kurve?

La oss starte fra navnet. Vet du hva som er passivt ? Hva er lavt ? Hva passerer og hva er Filter ? Hvis du forstår betydningen av disse fire ordene " Passivt lavpassfilter ", vil du forstå 50% av " Passivt lavpassfilter " resten av de 50% vi vil utforske videre.

“ Passiv ” - I ordboken betyr det å tillate eller godta hva som skjer eller hva andre gjør, uten aktiv respons.

“ Lavpassfilter ” - det betyr å passere det som er lavt, det vil si også å blokkere det som er høyt. Det fungerer som det samme som det tradisjonelle vannfilteret som vi har hjemme / på kontoret, som blokkerer urenheter og bare passerer rent vann.

Lavpassfilter passerer lavfrekvens og blokkerer høyere. En tradisjonell lavpassfilterpassfrekvens fra 30-300 KHz (lav frekvens) og blokk over frekvensen hvis den brukes i lydapplikasjon.

Det er mange ting knyttet til et lavpassfilter. Som det ble beskrevet tidligere at det vil filtrere ut uønskede ting (signal) av et sinusformet signal (AC).

Som passivt betyr det at vi vanligvis ikke bruker noen ytre kilde på det filtrerte signalet ut, det kan lages ved hjelp av passive komponenter, som ikke krever strøm, så det filtrerte signalet ikke forsterkes, utgangssignalamplituden vil ikke øke for enhver pris.

Lavpasningsfiltre er laget med motstand og kondensatorkombinasjon (RC) for å filtrere ut opptil 100 KHz, men for resten brukes 100 kHz-300 kHz Motstand, kondensator og induktor (RLC).

Her er kretsen i dette bildet:

Dette er et RC-filter. Generelt påføres et inngangssignal på denne seriekombinasjonen av motstand og ikke-polarisert kondensator. Det er et første ordens filter, da det bare er en reaktiv komponent i kretsene som er kondensator. Den filtrerte utgangen vil være tilgjengelig på tvers av kondensatoren.

Det som faktisk skjer i kretsløpet er ganske interessant.

Ved lave frekvenser vil kondensatorens reaktans være veldig stor enn motstandens motstandsverdi. Så signalets spenningspotensial over kondensatoren vil være mye større enn spenningsfallet over motstanden.

I høyere frekvenser vil det motsatte skje. Motstandens resistive verdi blir høyere, og på grunn av det med effekten av kondensatorens reaktans ble spenningen over kondensatoren mindre.

Her er kurven hvordan den ser like ut på kondensatorens utgang: -

Frekvensrespons og avskjæringsfrekvens

La oss forstå denne kurven videre

f _c er filterets avskjæringsfrekvens. Signallinjen fra 0dB / 118Hz til 100 KHz er nesten flat.

Formelen for Beregning av gevinst er

Gain = 20log (Vout / Vin)

Hvis vi setter disse verdiene, vil vi se resultatet av forsterkning til avskjæringsfrekvensen er nesten 1. 1 forsterkningsenhet eller 1x forsterkning kalles enhetsgevinst.

Etter kuttesignalet reduseres kretsresponsen gradvis til 0 (null), og denne reduksjonen skjer med en hastighet på -20 dB / tiår. Hvis vi beregner reduksjonen per oktav, vil den være -6dB. I teknisk terminologi kalles det “ avrulling ”.

Ved lave frekvenser stopper kondensatorens høye reaktans strømmen av strøm gjennom kondensatoren.

Hvis vi bruker høye frekvenser over grenseverdien, reduseres kondensatorreaktansen proporsjonalt når signalfrekvensen øker, noe som resulterer i lavere reaktans, og utgangen vil være 0 som effekten av kortslutningstilstanden over kondensatoren.

Dette er lavpassfilteret. Ved å velge riktig motstand og riktig kondensator kan vi stoppe frekvensen, begrense signalet uten å påvirke signalet, da det ikke er noe aktivt svar.

I bildet ovenfor er det et ord båndbredde. Det betyr at enhetsgevinsten vil bli brukt og signalet vil bli blokkert. Så hvis det er et 150 kHz lavpassfilter, vil båndbredden være 150 kHz. Etter denne båndbreddefrekvensen vil signalet dempes og slutte å passere gjennom kretsene.

Også er det -3dB, det er en viktig ting, ved avskjæringsfrekvensen vil vi få -3dB forsterkning der signalet dempes til 70,7% og den kapasitive reaktansen og motstanden er lik R = Xc.

Hva er formelen for Cut-off Frequency?

f _c = 1 / 2πRC

Så, R er motstand og C er kapasitans. Hvis vi setter verdien, vil vi kjenne kuttfrekvensen.

Beregning av utgangsspenning

La oss se det første bildet på kretsene der 1 motstand og en kondensator brukes til å danne et lavpassfilter eller RC-krets.

Når DC-signal påføres over kretsen er det motstanden til kretsen som skaper fall når strømmen strømmer, men i tilfelle et AC-signal er det impedans, som også måles i ohm.

I RC-kretsen er det to resistive ting. Den ene er motstand og den andre er kondensatorens kapasitive reaktans. Så vi må måle kondensatorens kapasitive reaktans først, da det er nødvendig for å beregne impedansen til kretsene.

Første resistive motstand er kapasitiv reaktans, formelen er: -

Xc = 1 / 2π f _c

Utgangen av formelen vil være i ohm, ettersom ohm er enheten med kapasitiv reaktans, fordi det er en motstand betyr motstand.

Den andre opposisjonen er motstanden i seg selv. Motstandens verdi er også en motstand.

Så når vi kombinerer denne to motstanden, får vi den totale motstanden, som er impedans i RC (AC signal input) krets.

Impedans betegner som Z.

RC-filteret fungerer som en " frekvensavhengig variabel potensialdeler " -krets.

Utgangsspenningen til denne skillelinjen er som følger =

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

R1 + R2 er den totale motstanden til kretsen, og dette er det samme som impedans.

Så når vi kombinerer denne totale ligningen får vi

Ved å løse formelen ovenfor får vi den endelige: -

Vout = Vin * (Xc / Z)

Eksempel med beregning

Som vi allerede vet hva som faktisk skjer inne i kretsen og hvordan du finner ut verdien. La oss velge praktiske verdier.

La oss plukke opp den vanligste verdien i motstand og kondensator, 4.7k og 47nF. Vi valgte verdien ettersom den er allment tilgjengelig og den er lettere å beregne. La oss se hva som vil være kuttfrekvensen og utgangsspenningen.

Kuttfrekvensen vil være: -

Ved å løse denne ligningen er avskjæringsfrekvensen 720Hz.

La oss hvor det er sant eller ikke…

Dette er kretsen. Som frekvensresponsen som er beskrevet tidligere, vil dB være ved -3 dB ved avskjæringsfrekvensen, uavhengig av frekvensene. Vi vil søke på -3dB ved utgangssignalet og se om det er 720Hz eller ikke. Her er frekvensresponsen: -

Som du kan se frekvensresponsen (også kalt Bode Plot) setter vi markøren på -3dB (Red Arrow) og får 720Hz (Green Arrow) hjørne eller båndbreddefrekvens.

Hvis vi bruker 500Hz signal, vil den kapasitive reaktansen være

Da er Vout når den brukes 5V Vin ved 500Hz: -

Faseendring

Ettersom det er en kondensator tilknyttet lavpassfilteret, og det er et vekselstrømssignal, angir fasevinkelen som φ (Phi) ved utgangen er -45

Dette er faseskiftkurven. Vi setter markøren til -45

Dette er et laveste passfilter av andre ordre. R1 C1 er første ordre og R2 C2 er andre ordre. De danner sammen et lavpasfilter av andre ordre.

Andre ordens filter har en rolle som skråning på 2 x -20 dB / tiår eller -40 dB (-12 dB / oktav).

Her er responskurven: -

Markøren som viser -3dB avskjæringspunkt i grønt signal som er over første orden (R1 C1), ble hellingen på dette sett tidligere -20dB / tiår og den røde ved den endelige utgangen som har en skråning på -40dB / Tiår.

Formler er: -

Gevinst ved f _c : -

Dette vil beregne gevinsten til andreordens lavpasskrets.

Kuttfrekvens: -

I praksis øker avrullingshellingen etter tilsetning av filtertrinn, -3dB-punktet og passbåndsfrekvensen endres fra den faktiske beregnede verdien ovenfor med en bestemt mengde.

Dette bestemte beløpet beregnes av følgende ligning: -

Det er ikke så bra å kaskade to passive filtre da dynamisk impedans for hver filterordre påvirker annet nettverk i samme kretsløp.

applikasjoner

Lavpasfilter er mye brukt i elektronikk.

Her er få applikasjoner: -

1. Lydmottaker og Equalizer
2. Kamerafilter
3. Oscilloskop
4. Musikk kontrollsystem og Bass frekvens modulering
5. Funksjonsgenerator
6. Strømforsyning