Passivt lågpassfilter

Denna handledning handlar om passivt lågpassfilter, en allmänt använd term inom elektronik. Du kommer att höra eller använda denna "tekniska" term nästan varje gång i dina studier eller i din yrkeskarriär. Låt oss undersöka vad som är speciellt med denna tekniska term.

Vad är det, krets, formler, kurva?

Låt oss börja från namnet. Vet du vad som är passivt ? Vad är lågt ? Vad passerar och vad är Filter ? Om du förstår betydelsen av dessa fyra ord " Passivt lågpassfilter " kommer du att förstå 50% av " Passivt lågpassfilter " resten av de 50% vi kommer att utforska vidare.

” Passiv ” - I ordboken betyder det att tillåta eller acceptera vad som händer eller vad andra gör, utan aktivt svar.

” Lågpassfilter ” - det betyder att passera det som är lågt, det betyder också att blockera det som är högt. Det fungerar på samma sätt som det traditionella vattenfiltret som vi har i vårt hem / kontor som blockerar föroreningar och bara passerar rent vatten.

Lågpassfilter passerar lågfrekvens och blockerar högre. En traditionell lågpassfilterpassfrekvens som sträcker sig från 30-300 kHz (lågfrekvens) och block över den frekvensen om den används i ljudapplikationen.

Det finns många saker associerade med ett lågpassfilter. Som det beskrivits tidigare kommer det att filtrera bort oönskade saker (signal) från en sinusformad signal (AC).

Eftersom passiva medel använder vi i allmänhet ingen yttre källa på den filtrerade signalen, den kan göras med passiva komponenter som inte kräver effekt, så den filtrerade signalen förstärks inte, utsignalens amplitud ökar inte till någon kostnad.

Lågpassfilter tillverkas med hjälp av motstånds- och kondensatorkombination (RC) för filtrering av upp till 100 kHz men för resten används 100 kHz-300 kHz motstånd, kondensator och induktor (RLC).

Här är kretsen i den här bilden:

Detta är ett RC-filter. Generellt matas en insignal till denna seriekombination av motstånd och icke-polariserad kondensator. Det är ett första ordens filter eftersom det bara finns en reaktiv komponent i kretsarna som är kondensator. Den filtrerade utgången kommer att finnas tillgänglig över kondensatorn.

Vad som faktiskt händer i kretsloppet är ganska intressant.

Vid låga frekvenser kommer kondensatorns reaktans att vara mycket stor än motståndets resistiva värde. Så signalens spänningspotential över kondensatorn kommer att vara mycket större än spänningsfallet över motståndet.

I högre frekvenser kommer exakt motsatt sak att hända. Motståndets resistiva värde blir högre och på grund av det med effekten av kondensatorns reaktans blev spänningen över kondensatorn mindre.

Här är kurvan hur den ser ut på kondensatorns utgång: -

Frekvensrespons och avstängningsfrekvens

Låt oss förstå den här kurvan ytterligare

f _c är filterets avstängningsfrekvens. Signallinjen från 0dB / 118Hz till 100 KHz är nästan platt.

Formeln för Beräkning av vinst är

Förstärkning = 20log (Vout / Vin)

Om vi ​​sätter dessa värden ser vi resultatet av förstärkningen tills avstängningsfrekvensen är nästan 1. En förstärkningsenhet eller 1x förstärkning kallas enhetsförstärkning.

Efter avstängningssignalen minskar kretsens respons gradvis till 0 (noll) och denna minskning sker med en hastighet av -20 dB / decennium. Om vi ​​beräknar minskningen per oktav blir den -6dB. I teknisk terminologi kallas det ” avrullning ”.

Vid låga frekvenser stoppar kondensatorns höga reaktans strömmen genom kondensatorn.

Om vi ​​tillämpar höga frekvenser över gränsgränsen minskar kondensatorns reaktans proportionellt när signalfrekvensen ökar, vilket resulterar i lägre reaktans, utgången blir 0 som effekten av kortslutningstillstånd över kondensatorn.

Detta är lågpassfiltret. Genom att välja rätt motstånd och rätt kondensator kan vi stoppa frekvensen, begränsa signalen utan att påverka signalen eftersom det inte finns något aktivt svar.

I bilden ovan finns ett ord bandbredd. Det betyder vilken enhetsförstärkning kommer att tillämpas och signalen kommer att blockeras. Så om det är ett 150 kHz lågpassfilter blir bandbredden 150 kHz. Efter denna bandbreddsfrekvens dämpas signalen och slutar passera genom kretsarna.

Det finns också -3 dB, det är en viktig sak, vid avstängningsfrekvensen får vi -3 dB förstärkning där signalen dämpas till 70,7% och den kapacitiva reaktansen och motståndet är lika med R = Xc.

Vad är formeln för Cut-off Frequency?

f _c = 1 / 2πRC

Så R är motstånd och C är kapacitans. Om vi ​​sätter värdet kommer vi att känna till gränsfrekvensen.

Beräkning av utspänning

Låt oss se den första bilden på kretsarna där 1 motstånd och en kondensator används för att bilda ett lågpassfilter eller RC-krets.

När likströmssignal appliceras över kretsen är det kretsens motstånd som skapar fall när strömmen flyter, men i fallet med en växelströmssignal är det impedans som också mäts i ohm.

I RC-kretsen finns det två resistiva saker. Den ena är motstånd och den andra är kondensatorns kapacitiva reaktans. Så vi måste mäta kondensatorns kapacitiva reaktans först eftersom den behövs för att beräkna kretsens impedans.

Första resistiva motståndet är kapacitiv reaktans, formeln är: -

Xc = 1 / 2π f _c

Utgången med formeln kommer att vara i ohm, eftersom ohm är enheten för kapacitiv reaktans, eftersom det är ett motstånd betyder motstånd.

Den andra oppositionen är motståndet i sig. Motståndets värde är också ett motstånd.

Så genom att kombinera dessa två motstånd får vi det totala motståndet, vilket är impedans i RC (AC-signalingång) krets.

Impedans betecknar som Z.

RC-filtret fungerar som en " frekvensberoende variabel potentialdelare " -krets.

Utdelningsspänningen för denna delare är som följer =

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

R1 + R2 är kretsens totala motstånd och detta är detsamma som impedansen.

Så, genom att kombinera denna totala ekvation kommer vi att få

Genom att lösa ovanstående formel får vi den sista: -

Vout = Vin * (Xc / Z)

Exempel med beräkning

Som vi redan vet vad som faktiskt händer i kretsen och hur man tar reda på värdet. Låt oss välja praktiska värden.

Låt oss hämta det vanligaste värdet i motstånd och kondensator, 4.7k och 47nF. Vi valde värdet eftersom det är allmänt tillgängligt och det är lättare att beräkna. Låt oss se vad som kommer att vara gränsfrekvensen och utspänningen.

Klippfrekvensen blir: -

Genom att lösa denna ekvation är gränsfrekvensen 720Hz.

Låt oss var det är sant eller inte…

Det här är kretsen. Som frekvenssvaret som beskrivits tidigare att vid avstängningsfrekvensen kommer dB att vara -3dB, oberoende av frekvenserna. Vi söker -3dB vid utsignalen och ser om det är 720Hz eller inte. Här är frekvenssvaret: -

Som du kan se frekvensresponsen (kallas även Bode Plot) ställer vi in ​​markören på -3dB (Red Arrow) och får 720Hz (Green Arrow) hörn eller bandbreddsfrekvens.

Om vi ​​applicerar 500Hz-signal kommer den kapacitiva reaktansen att vara

Då är Vout när det appliceras 5V Vin vid 500Hz: -

Fasförskjutning

Eftersom det finns en kondensator associerad med lågpassfiltret och det är en växelströmssignal anger fasvinkeln som φ (Phi) vid utgången är -45

Detta är fasförskjutningskurvan. Vi sätter markören på -45

Detta är ett andra ordens lågpassfilter. R1 C1 är första ordningen och R2 C2 är andra ordningen. Cascading tillsammans bildar de ett andra ordningens lågpassfilter.

Andra ordningens filter har en lutningsroll på 2 x -20 dB / decennium eller -40 dB (-12 dB / oktav).

Här är svarskurvan: -

Markören som visar -3dB avskärningspunkt i grön signal som är över första ordningen (R1 C1), lutningen vid denna sågs tidigare -20dB / decennium och den röda vid den slutliga utgången som har en lutning på -40dB / Årtionde.

Formler är: -

Vinst vid f _c : -

Detta beräknar förstärkningen av andra ordningens lågpasskrets.

Gränsfrekvens: -

I praktiken ökar avrullningslutningen per tillsats av filtersteg, -3dB-punkten och passbandfrekvensen ändras från dess faktiska beräknade värde ovan med en bestämd mängd.

Detta bestämda belopp beräknas med följande ekvation: -

Det är inte så bra att kaskadera två passiva filter eftersom dynamisk impedans för varje filterordning påverkar andra nätverk i samma kretsar.

Applikationer

Lågpassfilter används ofta i elektronik.

Här är några applikationer: -

1. Ljudmottagare och Equalizer
2. Kamerafilter
3. Oscilloskop
4. Musikstyrsystem och basfrekvensmodulering
5. Funktionsgenerator
6. Strömförsörjning