Filtru pasiv pas mic

Acest tutorial este despre filtru pasiv low pass, un termen utilizat pe scară largă în electronică. Veți auzi sau folosi acest termen „tehnic” aproape de fiecare dată în studiile dvs. sau în cariera dvs. profesională. Să explorăm ce este special la acest termen tehnic.

Ce este, Circuit, formule, curbă?

Să începem de la nume. Știi ce este pasiv ? Ce este scăzut ? Ce este trecerea și ce este Filter ? Dacă înțelegeți semnificațiile celor patru cuvinte „ Filtru pas pasiv scăzut ”, veți înțelege 50% din „ Filtru pas pasiv scăzut ”, restul celor 50% pe care le vom explora mai departe.

„ Pasiv ” - În dicționar înseamnă să permiți sau să accepți ce se întâmplă sau ce fac alții, fără răspuns activ.

„ Low Pass Filter ” - asta înseamnă să treci ceea ce este scăzut, adică să blochezi și ceea ce este ridicat. Acționează la fel ca filtrul tradițional de apă pe care îl avem în casa / biroul nostru, care blochează impuritățile și trece doar apa curată.

Filtru trece treci de frecvență joasă și blochează mai mare unul. O frecvență tradițională de trecere a filtrului de trecere joasă variind de la 30-300Khz (frecvență joasă) și bloc peste această frecvență dacă este utilizată în aplicația audio.

Există multe lucruri asociate cu un filtru low-pass. Așa cum s-a descris anterior, va filtra lucrurile nedorite (semnal) ale unui semnal sinusoidal (AC).

Deoarece pasiv înseamnă că, în general, nu aplicăm nicio sursă externă semnalului filtrat, acesta poate fi realizat folosind componente pasive, care nu necesită alimentare, astfel încât semnalul filtrat să nu fie amplificat, amplitudinea semnalului de ieșire nu va crește cu niciun cost.

Filtrele de trecere joasă sunt realizate utilizând combinația de rezistență și condensator (RC) pentru filtrarea până la 100 KHz, dar pentru restul se utilizează rezistor, condensator și inductor de 100 kHz-300 kHz (RLC).

Iată circuitul din această imagine:

Acesta este un filtru RC. În general, un semnal de intrare este aplicat acestei combinații seriale de rezistență și condensator nepolarizat. Este un filtru de ordinul întâi, deoarece există o singură componentă reactivă în circuit care este condensatorul. Ieșirea filtrată va fi disponibilă pe condensator.

Ce se întâmplă de fapt în interiorul circuitelor este destul de interesant.

La frecvențe joase, reactanța condensatorului va fi foarte mare decât valoarea rezistenței rezistențelor. Deci, potențialul de tensiune al semnalului pe condensator va fi mult mai mare decât căderea de tensiune pe rezistor.

La frecvențe mai înalte se va întâmpla exact opus. Valoarea rezistivă a rezistorului crește și, datorită faptului că, cu efectul reactanței condensatorului, tensiunea condensatorului a devenit mai mică.

Iată curba cum arată la ieșirea condensatorului: -

Răspuns în frecvență și frecvență de întrerupere

Să înțelegem această curbă mai departe

f _c este frecvența de întrerupere a filtrului. Linia de semnal de la 0dB / 118Hz la 100 KHz este aproape plată.

Formula de calcul a câștigului este

Câștig = 20log (Vout / Vin)

Dacă punem acele valori, vom vedea rezultatul câștigului până când frecvența de întrerupere este aproape 1. 1 unitate de câștig sau 1x câștig se numește câștig de unitate.

După semnalul de întrerupere, răspunsul circuitului scade treptat la 0 (zero) și această scădere se întâmplă cu o rată de -20dB / deceniu. Dacă calculăm scăderea pe octavă va fi -6dB. În terminologia tehnică se numește „ roll-off ”.

La frecvențe joase, reactanța ridicată a condensatorului oprește curgerea curentului prin condensator.

Dacă aplicăm frecvențe înalte peste limita de întrerupere, reactanța condensatorului scade proporțional atunci când crește frecvența semnalului, rezultând o reactanță mai mică, ieșirea va fi 0 ca efect al condiției de scurtcircuit pe condensator.

Acesta este filtrul trece jos. Prin selectarea rezistorului și a condensatorului adecvat am putea opri frecvența, limita semnalului fără a afecta semnalul, deoarece nu există un răspuns activ.

În imaginea de mai sus există un cuvânt Lățime de bandă. Înseamnă că câștigul de unitate se va aplica și semnalul va fi blocat. Deci, dacă este un filtru de trecere jos de 150 kHz, lățimea de bandă va fi de 150 kHz. După acea frecvență a lățimii de bandă, semnalul se va atenua și se va opri din trecerea prin circuit.

De asemenea, există -3dB, este un lucru important, la frecvența de întrerupere vom obține -3dB câștig în cazul în care semnalul atenuat la 70,7% și reactanța capacitivă și rezistența sunt egale R = Xc.

Care este formula Frecvenței cut-off?

f _c = 1 / 2πRC

Deci, R este rezistență și C este capacitate. Dacă punem valoarea, vom cunoaște frecvența de tăiere.

Calculul tensiunii de ieșire

Să vedem prima imagine a circuitelor în care se utilizează 1 rezistor și un condensator pentru a forma un filtru trece jos sau un circuit RC.

Atunci când semnalul de curent continuu aplicat pe circuit este rezistența circuitului care creează căderea când curge curent, dar în cazul unui semnal de curent alternativ este impedanță, măsurată și în ohmi.

În circuitul RC există două lucruri rezistive. Unul este rezistența și altul este reactanța capacitivă a condensatorului. Deci, trebuie să măsurăm mai întâi reactanța capacitivă a condensatorului, deoarece va fi necesară pentru calcularea impedanței circuitelor.

Prima opoziție rezistivă este reactanța capacitivă, formula este: -

Xc = 1 / 2π f _c

Ieșirea formulei va fi în ohmi, deoarece Ohm este unitatea reactanței capacitive, deoarece este o opoziție înseamnă rezistență.

A doua opoziție este rezistența însăși. Valoarea rezistorului este, de asemenea, o rezistență.

Deci, combinând aceste două opoziții, vom obține rezistența totală, care este impedanță în circuitul RC (intrare semnal AC).

Impedanța este Z.

Filtrul RC acționează ca circuit „ divizor de potențial variabil dependent de frecvență ”.

Tensiunea de ieșire a acestui divizor este după cum urmează =

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

R1 + R2 sunt rezistența totală a circuitului și aceasta este aceeași cu impedanța.

Deci, combinând această ecuație totală vom obține

Rezolvând formula de mai sus obținem ultima: -

Vout = Vin * (Xc / Z)

Exemplu cu Calcul

După cum știm deja ce se întâmplă de fapt în interiorul circuitului și cum să aflăm valoarea. Să alegem valori practice.

Să luăm cea mai comună valoare la rezistor și condensator, 4.7k și 47nF. Am selectat valoarea deoarece este disponibilă pe scară largă și este mai ușor de calculat. Să vedem care va fi frecvența de întrerupere și tensiunea de ieșire.

Frecvența de tăiere va fi: -

Rezolvând această ecuație, frecvența de întrerupere este de 720Hz.

Hai unde este adevărat sau nu…

Acesta este circuitul. Deoarece răspunsul de frecvență descris anterior, la frecvența de întrerupere, dB va fi -3dB, indiferent de frecvențe. Vom căuta -3dB la semnalul de ieșire și vom vedea dacă este 720Hz sau nu. Iată răspunsul în frecvență: -

După cum puteți vedea răspunsul în frecvență (denumit și Bode Plot), setăm cursorul la -3dB (săgeata roșie) și obținem colțul 720Hz (săgeata verde) sau frecvența lățimii de bandă.

Dacă aplicăm semnal de 500Hz, atunci reactanța capacitivă va fi

Apoi, Vout se aplică 5V Vin la 500Hz: -

Schimbare de fază

Deoarece există un condensator asociat cu filtrul de trecere jos și este un semnal de curent alternativ, unghiul de fază denotă φ (Phi) la ieșire este -45

Aceasta este curba de fază. Am setat cursorul la -45

Acesta este un filtru de trecere la ordinea a doua. R1 C1 este de ordinul întâi și R2 C2 este de ordinul doi. Cascadând împreună formează un filtru trece jos de ordinul doi.

Filtrul de ordinul doi are un rol de înclinare de 2 x -20dB / deceniu sau -40dB (-12dB / octavă).

Iată curba de răspuns: -

Cursorul care arată punctul de întrerupere -3dB în semnal verde care se află în prima ordine (R1 C1), panta la aceasta a fost văzută anterior -20dB / Deceniu și cea roșie la ieșirea finală care are o pantă de -40dB / Deceniu.

Formulele sunt: ​​-

Câștig la f _c : -

Aceasta va calcula câștigul circuitului de trecere joasă de ordinul doi.

Frecvența de tăiere:-

În practică, panta de rulare crește în funcție de etapa de filtrare adăugată, punctul -3dB și frecvența benzii de trecere se schimbă de la valoarea sa calculată reală de mai sus cu o cantitate determinată.

Această sumă determinată este calculată prin următoarea ecuație: -

Nu este atât de bine să cascadați două filtre pasive, deoarece impedanța dinamică a fiecărei ordine de filtru afectează alte rețele din același circuit.

Aplicații

Filtrul trece jos este utilizat pe scară largă în electronică.

Iată câteva aplicații: -

1. Receptor audio și egalizator
2. Filtru pentru cameră
3. Osciloscop
4. Sistem de control muzical și modulare a frecvenței basului
5. Generator de funcții
6. Alimentare electrică