- Kako deluje visokofrekvenčni filter?
- Frekvenčni odziv in mejna frekvenca
- Kakšna je formula mejne frekvence?
- Izračun izhodne napetosti
- Primer z izračunom
- Fazni premik
- Aplikacije
Prej smo razpravljali o pasivnem nizkofrekvenčnem filtru, zdaj je čas, da si ogledamo vpogled v pasivni visokofrekvenčni filter.
Tako kot prej, če pogledate ime, se prikaže "Pasivno", "Visoko", "Prehod" in "Filter". Kot že ime pove, gre za filter, ki bo blokiral nizke frekvence, vendar bo visoko frekvenco prenesel nad vnaprej določeno vrednost, ki se izračuna po formuli.
Je "pasiven", kar pomeni brez zunanje moči, brez ojačanja vhodnega signala; vezje bomo izdelali z uporabo "pasivnih" komponent, za katere ni potreben noben zunanji vir energije. Pasivne komponente so enake nizkopropusnemu filtru, vendar bo vrstni red povezave natančno obrnjen. Pasivni komponenti sta upor (R) in
kondenzator (C). Spet gre za konfiguracijo RC filtra.
Poglejmo, kaj se zgodi, če zgradimo vezje in preverimo odziv ali "Bode Plot"…
Tu je vezje na tej sliki:
To je RC filter. Na splošno je vhodni signal uporablja za to serijo kombinaciji z -ne polarizirana kondenzator in upor. To je filter prvega reda, saj je v vezju samo ena reaktivna komponenta, ki je kondenzator. Filtrirani izhod bo na voljo prek upora. Kombinacija tega dua je povsem nasprotna nizkofrekvenčnemu filtru. Če primerjamo vezje z nizkoprepustnim filtrom, bomo videli, da se položaj upora in kondenzatorja zamenja.
Kako deluje visokofrekvenčni filter?
Pri nizkih frekvencah bo reaktanca kondenzatorja zelo velika, da bo deloval kot odprt krog in blokiral vhodni signal pod mejno frekvenčno točko (fc). Ko pa doseže mejna frekvenčna točka, se reaktanca kondenzatorja začne zmanjševati in omogoča, da signal prehaja neposredno. To bomo podrobno videli na krivulji frekvenčnega odziva.
Tu je krivulja, kako je videti enako na izhodu kondenzatorja: -
Frekvenčni odziv in mejna frekvenca
To je krivulja frekvenčnega odziva tistega vezja visokofrekvenčnega filtra prvega reda.
f c Je mejna frekvenca filtra. Na točki -3dB signal sme preiti. Ta -3dB pomeni tudi mejno frekvenco. Od 10 Hz do mejne frekvence signal ne sme prehajati, saj je frekvenca Nizka frekvenca, v tem trenutku je to del zaustavitvenega pasu, kjer signal ne sme prehajati iz filtra, ampak nad mejno frekvenco po -3dB odsek se imenuje kot položaj pasovnega pasu, kjer sme signal preiti. Naklon krivulje je + 20dB na desetletje. Natančno nasproti nizkoprepustnemu filtru.
Formula za izračun dobička je enaka tisti, ki smo jo uporabili v prejšnji vadnici pasivnega nizkofrekvenčnega filtra.
Dobiček (dB) = 20 log (Vout / Vin)
Po izklopnem signalu se odzivi vezja postopoma povečajo na Vin z 0 in ta prirastek se zgodi s hitrostjo + 20 dB / desetletje. Če izračunamo povečanje na oktavo, bo 6dB.
Ta krivulja frekvenčnega odziva je Bodejev načrt visokofrekvenčnega filtra. Z izbiro ustreznega kondenzatorja in ustreznega upora bi lahko ustavili nizke frekvence, omejili signal, ki prehaja skozi vezje filtra, ne da bi vplivali na signal, saj ni aktivnega odziva.
Na zgornji sliki je beseda Bandwidth. Označuje, po kateri frekvenci bo signal prešel. Torej, če gre za visokofrekvenčni filter 600 Khz, bo pasovna širina od 600 khz do neskončnosti. Ker bo omogočil oddajanje vseh signalov nad mejno frekvenco.
Na mejni frekvenci bomo dobili -3dB ojačanja. Na tej točki, če primerjamo amplitudo izhodnega signala z vhodnim signalom, bomo videli, da bi bila amplituda izhodnega signala 70,7% vhodnega signala. Tudi pri pridobitvi -3dB bi bila kapacitivna reaktanca in upor enaka. R = Xc.
Kakšna je formula mejne frekvence?
Formula izločitvene frekvence je popolnoma enaka kot pri nizkopasovnem filtru.
f c = 1 / 2πRC
Torej, R je upor, C pa kapacitivnost. Če postavimo vrednost, bomo poznali mejno frekvenco.
Izračun izhodne napetosti
Poglejmo prvo sliko, vezje, kjer se 1 upor in en kondenzator uporabljata za tvorbo visokofrekvenčnega filtra ali RC vezja.
Ko se enosmerni signal uporablja prek vezja, je to odpornost vezja, ki ustvarja padec, ko tok teče. Toda v primeru izmeničnega signala za padec napetosti ni kriv upor, temveč je impedanca, ki je merjena tudi v ohmih.
V RC vezju sta dve uporovni stvari. Eden je upor, drugi pa kapacitivna reaktanca kondenzatorja. Torej, najprej moramo izmeriti kapacitivno reaktanco kondenzatorja, saj bo potrebna za izračun impedance vezja.
Prva uporovna opozicija je kapacitivna reaktanca, formula je:
Xc = 1 / 2πfC
Izhod formule bo v ohmih, saj je ohm enota kapacitivne reaktance, ker je opozicija odpornost.
Druga opozicija je upor sam. Vrednost upora je tudi upor.
Torej, s kombinacijo teh dveh nasprotij dobimo skupni upor, ki je impedanca v vezju RC (AC signal input).
Impedanca označuje kot Z
Formula je: -
Kot smo že omenili pri nizki frekvenci, je reaktanca kondenzatorja previsoka, da deluje kot odprt krog, reaktanca kondenzatorja pa je neskončnost pri nizki frekvenci, zato blokira signal. Takrat je izhodni dobiček 0, zaradi bloka pa izhodna napetost ostane 0, dokler ni dosežena mejna frekvenca.
Toda pri visokih frekvencah se bo zgodilo ravno nasprotno, reaktanca kondenzatorja je prenizka, da deluje kot kratek stik, reaktanca kondenzatorja je 0 pri visoki frekvenci, tako da prenaša signal. Takrat je izhodni dobiček enak 1, to je stanje ojačanja enotnosti in je zaradi ojačanja enot izhodna napetost enaka vhodni napetosti po doseženi izklopni frekvenci.
Primer z izračunom
Kot že vemo, kaj se dejansko dogaja znotraj vezja in Kako ugotoviti vrednost. Izberimo praktične vrednote.
Izberemo najpogostejšo vrednost upora in kondenzatorja, 330k in 100pF. Vrednost smo izbrali, saj je splošno dostopna in jo je lažje izračunati.
Poglejmo, kakšna bo mejna frekvenca in kakšna bo izhodna napetost.
Presečena frekvenca bo: -
Z reševanjem te enačbe je mejna frekvenca 4825Hz ali 4,825Khz.
Poglejmo, ali je res ali ne…
To je vezje primera.
Kot prej opisani frekvenčni odziv bo pri mejni frekvenci dB
-3dB, ne glede na frekvence. Poiskali bomo 3dB pri izhodnem signalu, in videli, ali je 4825Hz (4.825Khz) ali ne.
Tukaj je frekvenčni odziv: -
Nastavimo kurzor na -3dB in si oglejte rezultat.
Kot lahko vidimo frekvenčni odziv (imenovan tudi Bode Plot), nastavimo kurzor na -3,03 dB in dobimo pasovno frekvenco 4,814 kHz.
Fazni premik
Fazni kot označuje, da bo φ (Phi) na izhodu +45
To je fazni premik vezja, ki se uporablja kot praktični primer.
Ugotovimo vrednost faznega premika pri mejni frekvenci: -
Kazalec smo nastavili na +45
To je visokofrekvenčni filter drugega reda. KAPACITOR in RESISTOR je prvi red, KAPACITOR1 in RESISTOR1 pa drugi red. Kaskadno skupaj tvorijo visokofrekvenčni filter drugega reda.
Filter drugega reda ima vlogo naklona 2 x + 20dB / desetletje ali + 40dB (12dB / oktavo).
Tu je krivulja odziva: -
Naklon je + 20dB / desetletje in rdeči na končnem izhodu, ki ima naklon + 40dB / desetletje.
S tem se izračuna mejna frekvenca visokonapetostnega vezja drugega reda.
Tako kot nizkoprepustni filter tudi ni dobro kaskadirati dveh pasivnih visokoprepustnih filtrov, saj dinamična impedanca vsakega vrstnega reda filtrov vpliva na drugo omrežje v istem vezju.
Aplikacije
Nizkoprepustni filter je široko uporabljen krog v elektroniki.
Tu je nekaj aplikacij: -
- Zvočni sprejemnik in izenačevalnik
- Sistem za nadzor glasbe in frekvenčna modulacija visokih tonov.
- Generator funkcij
- Katodna televizija in osciloskop.
- Generator kvadratnih valov iz trikotnega vala.
- Generatorji impulzov.
- Generatorji na rampe.