Bộ lọc thông thấp thụ động

Hướng dẫn này là về Bộ lọc thông thấp thụ động, một thuật ngữ được sử dụng rộng rãi trong Điện tử. Bạn sẽ nghe hoặc sử dụng thuật ngữ 'kỹ thuật' này hầu như mọi lúc trong học tập hoặc trong nghề nghiệp của bạn. Hãy cùng khám phá điều đặc biệt của thuật ngữ kỹ thuật này.

Nó là gì, mạch, công thức, đường cong?

Hãy bắt đầu từ cái tên. Bạn có biết thế nào là thụ động ? Thấp là gì? Là gì đi qua và là những gì Lọc ? Nếu bạn hiểu ý nghĩa của bốn từ “ Bộ lọc thông thấp thụ động ”, bạn sẽ hiểu 50% “ Bộ lọc thông thấp thụ động ” còn lại 50% chúng ta sẽ khám phá thêm.

“ Bị động ” - Trong từ điển, nó có nghĩa là cho phép hoặc chấp nhận những gì xảy ra hoặc những gì người khác làm mà không cần phản hồi tích cực.

“ Bộ lọc thông thấp ” - có nghĩa là vượt qua mức thấp, cũng có nghĩa là chặn mức cao. Nó hoạt động giống như bộ lọc nước truyền thống mà chúng ta có trong nhà / văn phòng của mình, loại bỏ các tạp chất và chỉ cho nước sạch.

Thông thấp Bộ lọc vượt qua tần số thấp và chặn tần số cao hơn. Tần số vượt qua bộ lọc thông thấp truyền thống nằm trong khoảng từ 30-300Khz (Tần số thấp) và chặn trên tần số đó nếu được sử dụng trong ứng dụng Âm thanh.

Có nhiều thứ liên quan đến bộ lọc Thông thấp. Như nó đã được mô tả trước đó rằng nó sẽ lọc ra những thứ không mong muốn (tín hiệu) của một tín hiệu hình sin (AC).

Vì thụ động có nghĩa là chúng ta thường không áp dụng bất kỳ nguồn bên ngoài nào cho tín hiệu đã lọc ra, nó có thể được tạo ra bằng cách sử dụng các thành phần thụ động, không yêu cầu công suất, vì vậy tín hiệu được lọc không cổng khuếch đại, biên độ tín hiệu đầu ra sẽ không tăng bất kỳ giá nào.

Bộ lọc thông thấp được thực hiện bằng cách sử dụng kết hợp điện trở và tụ điện (RC) để lọc ra đến 100Khz nhưng đối với phần còn lại Điện trở 100khz-300khz được sử dụng (RLC).

Đây là mạch trong hình ảnh này:

Đây là một bộ lọc RC. Nói chung, tín hiệu đầu vào được áp dụng cho sự kết hợp nối tiếp của điện trở và tụ điện không phân cực này. Nó là bộ lọc bậc một vì chỉ có một thành phần phản ứng trong mạch là tụ điện. Đầu ra được lọc sẽ có sẵn trên tụ điện.

Những gì thực sự đang xảy ra bên trong mạch khá thú vị.

Ở tần số thấp, điện trở của tụ điện sẽ rất lớn hơn giá trị điện trở của điện trở. Vì vậy, điện thế của tín hiệu trên tụ điện sẽ lớn hơn nhiều so với điện áp rơi trên điện trở.

Ở tần số cao hơn, điều ngược lại sẽ xảy ra. Giá trị điện trở của điện trở càng cao và do đó với tác dụng của điện trở của tụ điện, điện áp trên tụ trở nên nhỏ hơn.

Đây là đường cong nó giống nhau như thế nào ở đầu ra của tụ điện: -

Đáp ứng tần số và tần số cắt

Hãy hiểu thêm về đường cong này

f _c là tần số cắt của bộ lọc. Đường tín hiệu từ 0dB / 118Hz đến 100 KHz nó gần như bằng phẳng.

Công thức tính độ lợi là

Gain = 20log (Vout / Vin)

Nếu chúng ta đặt những giá trị đó, chúng ta sẽ thấy kết quả của độ lợi cho đến khi tần số cắt gần như là 1. 1 đơn vị độ lợi hoặc độ lợi 1x được gọi là độ lợi thống nhất.

Sau khi tín hiệu cắt, phản ứng của mạch giảm dần về 0 (Zero) và sự giảm này xảy ra với tốc độ -20dB / Thập kỷ. Nếu chúng ta tính toán mức giảm trên mỗi quãng tám, nó sẽ là -6dB. Trong thuật ngữ kỹ thuật, nó được gọi là " roll-off ".

Ở tần số thấp, điện trở cao của tụ điện ngăn dòng điện chạy qua tụ điện.

Nếu chúng ta áp dụng các tần số cao trên giới hạn cắt, điện kháng của tụ điện giảm tương ứng khi tần số tín hiệu tăng, dẫn đến điện trở thấp hơn, đầu ra sẽ bằng 0 do ảnh hưởng của tình trạng ngắn mạch trên tụ điện.

Đây là bộ lọc thông thấp. Bằng cách chọn điện trở thích hợp và tụ điện thích hợp, chúng tôi có thể dừng tần số, giới hạn tín hiệu mà không ảnh hưởng đến tín hiệu vì không có phản hồi tích cực.

Trong hình trên có từ Bandwidth. Nó cho biết mức độ hợp nhất sẽ được áp dụng và tín hiệu sẽ bị chặn. Vì vậy, nếu nó là một bộ lọc thông thấp 150 Khz thì băng thông sẽ là 150Khz. Sau tần số băng thông đó, tín hiệu sẽ giảm dần và ngừng truyền qua mạch.

Ngoài ra còn có -3dB, đó là một điều quan trọng, ở tần số cắt chúng ta sẽ nhận được độ lợi -3dB trong đó tín hiệu suy giảm xuống 70,7% và điện dung và điện trở bằng R = Xc.

Công thức của Tần suất cắt là gì?

f _c = 1 / 2πRC

Vì vậy, R là điện trở và C là điện dung. Nếu chúng ta đặt giá trị, chúng ta sẽ biết tần số cắt.

Tính toán điện áp đầu ra

Hãy xem hình ảnh đầu tiên về mạch điện trong đó 1 điện trở và một tụ điện được sử dụng để tạo thành bộ lọc thông thấp hoặc mạch RC.

Khi tín hiệu DC được áp dụng trên mạch, đó là điện trở của mạch tạo ra sự sụt giảm khi dòng điện chạy qua, nhưng trong trường hợp tín hiệu AC thì đó là trở kháng, được đo bằng Ohms.

Trong đoạn mạch RC có hai điện trở. Một là điện trở và một là điện dung của tụ điện. Vì vậy, trước tiên chúng ta cần đo điện trở điện dung của tụ điện vì nó sẽ cần thiết để tính trở kháng của mạch.

Điện trở đối kháng đầu tiên là điện trở điện dung, công thức là: -

Xc = 1 / 2π f _c

Đầu ra của công thức sẽ tính bằng Ohms, vì Ohms là đơn vị của điện trở điện dung, vì nó là một đối lập có nghĩa là Kháng.

Đối lập thứ hai là điện trở chính nó. Giá trị của điện trở cũng là một điện trở.

Vì vậy, kết hợp hai đối lập này chúng ta sẽ có được tổng trở, đó là trở kháng trong mạch RC (đầu vào tín hiệu AC).

Trở kháng ký hiệu là Z.

Bộ lọc RC hoạt động như mạch " bộ chia tiềm năng biến đổi phụ thuộc tần số ".

Điện áp đầu ra của bộ chia này như sau =

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

R1 + R2 là tổng trở của mạch và điều này giống như trở kháng.

Vì vậy, kết hợp phương trình tổng này, chúng ta sẽ nhận được

Bằng cách giải quyết công thức trên, chúng ta nhận được kết quả cuối cùng: -

Vout = Vin * (Xc / Z)

Ví dụ với tính toán

Như chúng ta đã biết điều gì đang thực sự xảy ra bên trong mạch và Cách tìm ra giá trị. Hãy chọn những giá trị thiết thực.

Hãy chọn giá trị phổ biến nhất trong điện trở và tụ điện, 4,7k và 47nF. Chúng tôi đã chọn giá trị vì nó có sẵn rộng rãi và dễ tính hơn. Hãy xem tần số cắt và điện áp đầu ra sẽ như thế nào.

Tần suất cắt sẽ là: -

Bằng cách giải phương trình này, tần số cắt là 720Hz.

Hãy xem nó có đúng hay không…

Đây là mạch. Như đáp ứng tần số được mô tả trước đó ở tần số cắt, dB sẽ là -3dB, Không phân biệt tần số. Chúng tôi sẽ tìm kiếm -3dB ở tín hiệu đầu ra và xem nó có phải là 720Hz hay không. Đây là đáp ứng tần số: -

Như bạn có thể thấy Phản hồi tần số (Còn được gọi là Bode Plot), chúng tôi đặt con trỏ ở -3dB (Mũi tên đỏ) và lấy góc 720Hz (Mũi tên xanh) hoặc Tần số băng thông.

Nếu chúng ta áp dụng tín hiệu 500Hz thì điện trở điện dung sẽ là

Sau đó, Vout là khi áp dụng 5V Vin ở 500Hz: -

Chuyển pha

Vì có một tụ điện được liên kết với bộ lọc Thông thấp và đó là tín hiệu AC nên Góc pha biểu thị là φ (Phi) ở đầu ra là -45

Đây là đường cong dịch pha. Chúng tôi đặt con trỏ ở -45

Đây là bộ lọc thông thấp bậc hai. R1 C1 là bậc nhất và R2 C2 là bậc hai. Xếp chồng lên nhau chúng tạo thành bộ lọc thông thấp bậc hai.

Bộ lọc bậc hai có vai trò độ dốc 2 x -20dB / thập kỷ hoặc -40dB (-12dB / quãng tám).

Đây là đường cong phản hồi: -

Con trỏ hiển thị điểm cắt -3dB trong tín hiệu Màu xanh lục nằm trên bậc đầu tiên (R1 C1), độ dốc tại điểm này đã được nhìn thấy trước đó -20dB / Thập kỷ và điểm màu đỏ ở đầu ra cuối cùng có độ dốc -40dB / Thập kỷ.

Công thức là: -

Đạt được ở f _c : -

Điều này sẽ tính toán độ lợi của mạch thông thấp bậc hai.

Tần số cắt:-

Trong thực tế, độ dốc cuộn tắt tăng khi thêm giai đoạn bộ lọc, điểm -3dB và tần số dải tần thay đổi so với giá trị tính toán thực tế của nó ở trên một lượng xác định.

Số tiền xác định này được tính theo công thức sau: -

Sẽ không tốt lắm nếu xếp tầng hai bộ lọc thụ động vì trở kháng động của mỗi thứ tự bộ lọc ảnh hưởng đến mạng khác trong cùng một mạch.

Các ứng dụng

Bộ lọc thông thấp là mạch được sử dụng rộng rãi trong điện tử.

Dưới đây là một số ứng dụng: -

Bộ thu âm thanh và Bộ chỉnh âm
Bộ lọc máy ảnh
Máy hiện sóng
Hệ thống điều khiển âm nhạc và điều chế tần số Bass
Máy phát chức năng
Nguồn cấp