- Πώς λειτουργεί το φίλτρο High Pass;
- Απόκριση συχνότητας και συχνότητα αποκοπής
- Ποιος είναι ο τύπος της συχνότητας αποκοπής;
- Υπολογισμός τάσης εξόδου
- Παράδειγμα με υπολογισμό
- Αλλαγή φάσης
- Εφαρμογές
Προηγουμένως συζητήσαμε το Passive Low Pass Filter, τώρα ήρθε η ώρα να δούμε πληροφορίες για το παθητικό high pass filter.
Όπως και πριν, αν κοιτάξετε το όνομα, εμφανίζεται το "Passive", "High", "Pass" και "Filter". Έτσι, όπως υποδηλώνει το όνομα, είναι ένα φίλτρο που θα μπλοκάρει τις χαμηλές συχνότητες, αλλά θα περάσει την υψηλή συχνότητα πάνω από την προκαθορισμένη τιμή, η οποία θα υπολογιστεί από τον τύπο.
Είναι «παθητικό» που σημαίνει ότι δεν υπάρχει εξωτερική ισχύς, καμία ενίσχυση του σήματος εισόδου. θα κάνουμε το κύκλωμα χρησιμοποιώντας "παθητικά" εξαρτήματα που δεν απαιτούν εξωτερική πηγή ισχύος. Τα παθητικά στοιχεία είναι ίδια με το φίλτρο χαμηλής διέλευσης, αλλά η σειρά σύνδεσης θα αντιστραφεί ακριβώς. Τα παθητικά στοιχεία είναι Resistor (R) και
Capacitor (C). Και πάλι είναι μια διαμόρφωση φίλτρου RC.
Ας δούμε τι θα συμβεί αν κατασκευάσουμε το κύκλωμα και ελέγξουμε την απόκριση ή το "Bode Plot"…
Εδώ είναι το κύκλωμα σε αυτήν την εικόνα:
Αυτό είναι ένα φίλτρο RC. Γενικά, ένα σήμα εισόδου εφαρμόζεται σε αυτό το συνδυασμό της σειράς των μη πολωμένο πυκνωτή και αντιστάτη. Είναι ένα φίλτρο πρώτης τάξης καθώς υπάρχει μόνο ένα αντιδραστικό στοιχείο στο κύκλωμα που είναι πυκνωτής. Η φιλτραρισμένη έξοδος θα είναι διαθέσιμη σε όλη την αντίσταση. Ο συνδυασμός αυτού του δίδυμου είναι ακριβώς απέναντι από το φίλτρο low pass. Αν συγκρίνουμε το κύκλωμα με το φίλτρο χαμηλής διέλευσης, θα δούμε ότι η θέση της αντίστασης και του πυκνωτή αλλάζει.
Πώς λειτουργεί το φίλτρο High Pass;
Σε χαμηλές συχνότητες η αντίδραση του πυκνωτή θα είναι πολύ μεγάλη που θα λειτουργεί σαν ανοιχτό κύκλωμα και θα μπλοκάρει το σήμα εισόδου κάτω από το σημείο συχνότητας αποκοπής (fc). Αλλά όταν το σημείο συχνότητας διακοπής φτάσει, η αντίδραση του πυκνωτή θα αρχίσει να μειώνεται και θα επιτρέψει στο σήμα να περάσει απευθείας. Αυτό θα το δούμε λεπτομερώς στην καμπύλη απόκρισης συχνότητας.
Εδώ είναι η καμπύλη πώς μοιάζει με την έξοδο του πυκνωτή: -
Απόκριση συχνότητας και συχνότητα αποκοπής
Αυτή είναι η καμπύλη απόκρισης συχνότητας αυτού του πρώτου βαθμού Κύκλου φίλτρου υψηλής διέλευσης.
f c Είναι η συχνότητα αποκοπής του φίλτρου. Σε σημείο -3dB το σήμα επιτρέπεται να περάσει. Αυτό -3dB δηλώνει επίσης τη συχνότητα αποκοπής. Από 10Hz έως τη συχνότητα αποκοπής το σήμα δεν επιτρέπεται να περάσει καθώς η συχνότητα είναι Χαμηλή συχνότητα, σε αυτό το σημείο είναι το τμήμα ζώνης διακοπής όπου το σήμα δεν επιτρέπεται να περάσει από το φίλτρο αλλά πάνω από τη συχνότητα αποκοπής μετά -3dB το τμήμα καλείται ως θέση ζώνης διέλευσης όπου επιτρέπεται να περάσει το σήμα. Η κλίση της καμπύλης είναι + 20dB ανά δεκαετία. Ακριβώς αντίθετο από το φίλτρο χαμηλής διέλευσης.
Ο τύπος του Υπολογισμού κέρδους είναι ίδιος όπως χρησιμοποιήσαμε στον προηγούμενο οδηγό μας στο παθητικό φίλτρο χαμηλής διέλευσης.
Κέρδος (dB) = 20 log (Vout / Vin)
Μετά το σήμα διακοπής, οι αποκρίσεις του κυκλώματος αυξάνονται σταδιακά σε Vin από 0 και αυτή η αύξηση συμβαίνει με ρυθμό + 20dB / Δεκαετία. Αν υπολογίσουμε την αύξηση ανά οκτάβα θα είναι 6dB.
Αυτή η καμπύλη απόκρισης συχνότητας είναι το Bode Plot του φίλτρου υψηλής διέλευσης. Επιλέγοντας τον κατάλληλο πυκνωτή και την κατάλληλη αντίσταση θα μπορούσαμε να σταματήσουμε τις χαμηλές συχνότητες, να περιορίσουμε το σήμα που διέρχεται από το κύκλωμα του φίλτρου χωρίς να επηρεάσει το σήμα καθώς δεν υπάρχει ενεργή απόκριση.
Στην παραπάνω εικόνα, υπάρχει μια λέξη εύρος ζώνης. Σημαίνει μετά από ποια συχνότητα θα επιτρέψει να περάσει το σήμα. Έτσι, εάν είναι φίλτρο διέλευσης 600 Khz, τότε το εύρος ζώνης θα είναι από 600Khz έως το Infinity. Καθώς θα επιτρέψει τη μετάδοση όλων των σημάτων πάνω από τη συχνότητα αποκοπής.
Στη συχνότητα αποκοπής θα έχουμε κέρδος -3dB. Σε αυτό το σημείο, εάν συγκρίνουμε το πλάτος του σήματος εξόδου με το σήμα εισόδου, τότε θα δούμε ότι το πλάτος του σήματος εξόδου θα είναι 70,7% του σήματος εισόδου. Επίσης στο κέρδος -3dB η χωρητική αντίδραση και η αντίσταση θα ήταν ίσες. R = Xc.
Ποιος είναι ο τύπος της συχνότητας αποκοπής;
Ο τύπος της συχνότητας αποκοπής είναι ακριβώς ίδιος με το φίλτρο Low Pass.
f c = 1 / 2πRC
Έτσι, το R είναι αντίσταση και το C είναι χωρητικότητα. Αν βάλουμε την τιμή θα γνωρίζουμε τη συχνότητα αποκοπής.
Υπολογισμός τάσης εξόδου
Ας δούμε την πρώτη εικόνα, το κύκλωμα όπου 1 αντίσταση και ένας πυκνωτής χρησιμοποιούνται για να σχηματίσουν ένα φίλτρο υψηλής διέλευσης ή ένα κύκλωμα RC.
Όταν το σήμα DC εφαρμόζεται σε όλο το κύκλωμα είναι η αντίσταση του κυκλώματος που δημιουργεί πτώση όταν ρέει ρεύμα. Αλλά στην περίπτωση ενός σήματος AC δεν είναι αντίσταση, αλλά η σύνθετη αντίσταση ευθύνεται για την πτώση τάσης, η οποία μετρήθηκε και στα Ohms.
Στο κύκλωμα RC υπάρχουν δύο ανθεκτικά πράγματα. Το ένα είναι η αντίσταση και το άλλο είναι η χωρητική αντίδραση του πυκνωτή. Επομένως, πρέπει πρώτα να μετρήσουμε την χωρητική αντίδραση του πυκνωτή, όπως θα χρειαζόταν για τον υπολογισμό της σύνθετης αντίστασης του κυκλώματος.
Η πρώτη αντίσταση είναι η χωρητική αντίδραση, ο τύπος είναι:
Xc = 1 / 2πfC
Η έξοδος του τύπου θα είναι σε Ohms, καθώς το Ohms είναι η μονάδα χωρητικής αντίδρασης, επειδή είναι αντίθεση σημαίνει Αντίσταση.
Η δεύτερη αντίθεση είναι η ίδια η αντίσταση. Η τιμή της αντίστασης είναι επίσης μια αντίσταση.
Έτσι, συνδυάζοντας αυτές τις δύο αντιδράσεις θα έχουμε τη συνολική αντίσταση, η οποία είναι η αντίσταση στο κύκλωμα RC (είσοδος σήματος AC).
Αντίσταση δηλώνει ως Ζ
Ο τύπος είναι: -
Όπως συζητήθηκε προηγουμένως στη χαμηλή συχνότητα, η αντίδραση του πυκνωτή είναι πολύ υψηλή που λειτουργεί ως ανοιχτό κύκλωμα, η αντίδραση του πυκνωτή είναι το άπειρο σε χαμηλή συχνότητα, οπότε εμποδίζει το σήμα. Το κέρδος εξόδου είναι 0 εκείνη τη στιγμή, και λόγω του μπλοκ η τάση εξόδου παραμένει 0 έως ότου επιτευχθεί η συχνότητα αποκοπής.
Όμως, σε υψηλή συχνότητα, το αντίθετο θα συμβεί η αντίδραση του πυκνωτή είναι πολύ χαμηλή ώστε να λειτουργεί ως βραχυκύκλωμα, η αντίδραση του πυκνωτή είναι 0 σε υψηλή συχνότητα, ώστε να περάσει το σήμα. Το κέρδος εξόδου είναι 1 εκείνη τη στιγμή, δηλαδή η κατάσταση κέρδους ενότητας και λόγω του κέρδους ενότητας η τάση εξόδου είναι ίδια με την τάση εισόδου μετά την επίτευξη της συχνότητας αποκοπής.
Παράδειγμα με υπολογισμό
Όπως ήδη γνωρίζουμε τι πραγματικά συμβαίνει μέσα στο κύκλωμα και πώς να μάθουμε την αξία. Ας επιλέξουμε πρακτικές τιμές.
Ας πάρουμε την πιο κοινή τιμή στην αντίσταση και τον πυκνωτή, 330k και 100pF. Επιλέξαμε την τιμή καθώς είναι ευρέως διαθέσιμη και είναι πιο εύκολο να υπολογιστεί.
Ας δούμε ποια θα είναι η συχνότητα διακοπής και ποια θα είναι η τάση εξόδου.
Η συχνότητα διακοπής θα είναι: -
Με την επίλυση αυτής της εξίσωσης, η συχνότητα αποκοπής είναι 4825 Hz ή 4,825 Khz.
Ας δούμε αν είναι αλήθεια ή όχι…
Αυτό είναι το κύκλωμα του παραδείγματος.
Καθώς η απόκριση συχνότητας που περιγράφηκε πριν από αυτήν, στη συχνότητα αποκοπής το dB θα είναι
-3dB, ανεξάρτητα από τις συχνότητες. Θα αναζητήσουμε -3dB στο σήμα εξόδου και θα δούμε αν είναι 4825Hz (4.825Khz) ή όχι.
Εδώ είναι η απόκριση συχνότητας: -
Ας ρυθμίσουμε τον κέρσορα στο -3dB και να δούμε το αποτέλεσμα.
Όπως μπορούμε να δούμε την απόκριση συχνότητας (ονομάζεται επίσης Bode Plot) ορίζουμε τον κέρσορα στα -3.03dB και λαμβάνουμε τη συχνότητα εύρους ζώνης 4,814KHz.
Αλλαγή φάσης
Η φάση γωνίας υποδηλώνει ότι το φ (Phi) θα είναι στην έξοδο είναι +45
Αυτή είναι η μετατόπιση φάσης του κυκλώματος, που χρησιμοποιείται ως πρακτικό παράδειγμα.
Ας μάθουμε την τιμή μετατόπισης φάσης στη συχνότητα αποκοπής: -
Ορίσαμε τον κέρσορα στο +45
Αυτό είναι ένα φίλτρο δεύτερης τάξης High Pass. CAPACITOR και RESISTOR είναι η πρώτη σειρά και CAPACITOR1 και RESISTOR1 είναι δεύτερη σειρά. Ταυτόχρονα σχηματίζουν φίλτρο υψηλής τάξης δεύτερης τάξης.
Το φίλτρο δεύτερης τάξης έχει ρόλο κλίσης 2 x + 20dB / δεκαετία ή + 40dB (12dB / οκτάβα).
Εδώ είναι η καμπύλη απόκρισης: -
Η κλίση είναι + 20dB / Δεκαετία και η κόκκινη στην τελική έξοδο που έχει κλίση + 40dB / Δεκαετία.
Αυτό θα υπολογίσει τη συχνότητα αποκοπής του δεύτερου βαθμού κύκλου υψηλής διέλευσης.
Ακριβώς όπως και το φίλτρο Low Pass, δεν είναι τόσο καλό να εναλλάσσετε δύο παθητικά φίλτρα High Pass, καθώς η δυναμική αντίσταση κάθε σειράς φίλτρου επηρεάζει άλλο δίκτυο στο ίδιο κύκλωμα.
Εφαρμογές
Το φίλτρο χαμηλής διέλευσης χρησιμοποιείται ευρέως σε κύκλωμα ηλεκτρονικών.
Εδώ είναι μερικές εφαρμογές: -
- Δέκτης ήχου και ισοσταθμιστής
- Σύστημα ελέγχου μουσικής και διαμόρφωση συχνότητας πρίμων.
- Γεννήτρια λειτουργιών
- Τηλεόραση και παλμοσκόπιο Cathode Ray.
- Γεννήτρια τετραγωνικών κυμάτων από τριγωνικό κύμα.
- Γεννήτριες παλμών.
- Γεννήτριες ράμπας προς βήμα.