Filtr (elektronika)

Z Wikipedii

Rys. 1. Idealne charakterystyki częstotliwościowe różnych rodzajów filtrów

Filtr jest to fragment obwodu elektrycznego lub obwodu elektronicznego odpowiedzialny za przepuszczanie lub blokowanie sygnałów o określonym zakresie częstotliwości lub zawierającego określone harmoniczne.

[edytuj] Podział filtrów

Ze względu na przeznaczenie filtry można podzielić na cztery podstawowe rodzaje (zobacz Rys. 1. po prawej stronie):

• dolnoprzepustowe
• górnoprzepustowe
• środkowoprzepustowe
• środkowozaporowe

Ze względu na konstrukcję i rodzaj działania filtry można podzielić na:

• pasywne - nie zawierają elementów dostarczających energii do obwodu drgajacego, zawierają tylko elementy RLC
  • jednostopniowe
  • wielostopniowe
• aktywne - zawierają zarówno elementy RLC, jak również i elementy dostarczające energię do filtrowanego układu np. wzmacniacze, układy nieliniowe.

Filtry można również podzielić na typy obwodów w jakich są używane:

• analogowe
• cyfrowe

Rys. 2. Pasywny filtr dolnoprzepustowy zrealizowany z opornika i kondensatora

Rys. 3. Filtrowanie napięcia tętniącego za pomocą pasywnego filtra dolnoprzepustowego

[edytuj] Filtry pasywne

Filtry pasywne są wykonane tylko z pasywnych elementów RLC. Przy odpowiednim połączeniu elementów można uzyskać wszystkie typy filtrów z Rys. 1. Filtry pasywne wykonuje się też jako elementy z materiałów piezoelektrycznych z odpowiednio napylonymi elektrodami.

Najprostszym rodzajem filtra pasywnego szeroko stosowanego w elektronice jest filtr dolnoprzepustowy w postaci kondensatora o dużej pojemności połączonego równolegle do filtrowanego napięcia (z ewentualnym szeregowym opornikiem). Urządzenia elektroniczne są często zasilane z sieci energetycznej za pomocą zasilaczy. Napięcie sieci (o skutecznej wartości 230 V) jest transformowane na niskie napięcie użyteczne (np. 12 V), które jest następnie prostowane za pomocą prostownika dwupołówkowego. Napięcie wejściowe takiego prostownika ma przebieg tętniący (pokazany jako niebieski na Rys. 3). Dopiero równoległe dołączenie kondensatora o odpowiedniej pojemności powoduje znaczne zmniejszenie amplitudy tętnień (przebieg czerwony na rysunku), czyli właśnie proces filtrowania. Im większa jest pojemność użytego kondensatora tym bardziej napięcie wyjściowe ma przebieg zbliżony do przebiegu stałego.

Jeśli w powyższym układzie elementy C i R zostaną zamienione, wówczas powstanie pasywny filtr górnoprzepustowy.

W obu przypadkach częstotliwość graniczna wynosi: , a charakterystyka amplitudowa w paśmie tłumienia opada z prędkością 20 dB na dekadę.

Rozdzielacz sygnału antenowego VHF i UHF z telewizora. Wejście na środku, z prawej filtr dolnoprzepustowy, z lewej górnoprzepustowy.

Przy dużych natężeniach prądu obok kondensatorów stosuje się cewki włączone szeregowo z odbiornikiem, zwane w takim przypadku dławikami. Zmiany prądu w cewce wywołują powstanie napięcia przeciwdziałającego tym zmianom, a tym samym gładzenie przebiegu napięcia.

Rys. 4. Charakterystyka filtra dolnoprzepustowego RC, dla którego amplituda w paśmie tłumienia opada z prędkością 20 dB na dekadę.

Para elementów LC dostrojonych do określonej częstotliwości będzie się zachowywać w zależności od sposobu włączenia do układu jak filtr środkowoprzepustowy (używany np. do strojenia radiowych odbiorników AM) lub jak filtr środkowozaporowy (używany do tłumienia niepożądanego pasma częstotliwości).

Wszystkie rodzaje charakterystyk filtrów przedstawionych na Rys. 1 mogą być uzyskane za pomocą szeregowego lub równoległego kilku filtrów. Jednakże, tłumienie sygnałów poza pasmem przenoszenia dla filtrów pasywnych często jest zbyt małe. Dodatkowo, kaskadowe połączenie kilku filtrów skutkuje znacznym tłumieniem amplitudy również w paśmie przenoszenia - w takich przypadkach stosuje się filtry aktywne.

Rys. 5. Przykład aktywnego filtra górnoprzepustowego (wzmacniacz operacyjny zaznaczono czerwonym kolorem)

[edytuj] Filtry aktywne

Filtry aktywne wykorzystują zazwyczaj również własności elementów RLC, ale przy wspomaganiu specjalnymi elementami sterującymi oraz dostarczającymi energię do filtrowanego układu.

Przykład górnoprzepustowego aktywnego filtra przedstawiono na Rys. 5. Jak widać filtr taki bazuje na wzmocnionych charakterystykach elementów RC. Elementem aktywnym jest tutaj wzmacniacz operacyjny, który posiada odrębne zasilanie (nie pokazane dla czytelności rysunku), i które powoduje częściowe dostarczanie energii do filtrowanego układu.

Istnieje bardzo wiele różnych typów filtrów aktywnych:

• filtry Sallen-Key
• filtry MBF
• filtry Butterwortha
• filtry Czebyszewa
• filtry Bessela
• filtry epliptyczne

Filtry aktywne charakteryzują się o wiele lepszym tłumieniem w paśmie tłumienia niż filtry pasywne.

Najbardziej skomplikowane filtry mogą być skonstruowane nawet z użyciem techniki cyfrowej, a co za tym idzie sterowane mikroprocesorowo. Jest to jednak odrębna dziedzina nazywana cyfrowym przetwarzaniem sygnałów.

[edytuj] Filtry do obwodów analogowych i cyfrowych

Działanie filtrów w obwodach analogowych i cyfrowych jest w zasadzie identyczne. Niewielkie różnice mogą występować jedynie w rozwiązaniach konstrukcyjnych. Nawet działanie całkowicie cyfrowych filtrów używanych w cyfrowym przetwarzaniu sygnałów (ang. DSP - digital signal processing) jest oparte na tych samych prawach i zależnościach używanych w tradycyjnych filtrach. Różnica leży jedynie w rodzaju przetwarzania sygnałów - w przypadku DSP przetwarzanie następuje na ciągach liczb, które reprezentują dany sygnał.

[edytuj] Dobroć filtru

Dobroć filtru określa się jako stosunek częstotliwości środkowej filtru do jego szerokości pasma. W przypadku filtrów o większej szerokości pasma przenoszonego określa się zwykle względną szerokość pasma będącą odwrotnością dobroci i zwykle wyrażaną w procentach częstotliwości środkowej.

Zobacz też Zwrotnica elektryczna