Laagdoorlaatfilters

Een laagdoorlaatfilter is per definitie een circuit dat een gemakkelijke doorgang biedt naar laagfrequente signalen en een moeilijke doorgang naar hoogfrequente signalen. Er zijn twee basistypen circuits die dit doel kunnen bereiken, en vele variaties van elk:het inductieve laagdoorlaatfilter in (figuur hieronder) en het capacitieve laagdoorlaatfilter in (figuur ook hieronder).

Inductief laagdoorlaatfilter

Inductief laagdoorlaatfilter

De impedantie van de inductor neemt toe met toenemende frequentie. Deze hoge impedantie in serie heeft de neiging om hoogfrequente signalen te blokkeren om de belasting te bereiken. Dit kan worden aangetoond met een SPICE-analyse:(figuur hieronder)

inductief laagdoorlaatfilter v1 1 0 ac 1 sin l1 1 2 3 rbelasting 2 0 1k .ac lin 20 1 200 .plot ac v(2) .einde 

De respons van een inductief laagdoorlaatfilter neemt met toenemende frequentie af.

Capacitieve laagdoorlaatfilter

Capacitieve laagdoorlaatfilter

De impedantie van de condensator neemt af met toenemende frequentie. Deze lage impedantie parallel aan de belastingsweerstand heeft de neiging om hoogfrequente signalen kort te sluiten, waardoor het grootste deel van de spanning over serieweerstand R₁ daalt . (Figuur hieronder)

capacitief laagdoorlaatfilter v1 1 0 ac 1 sin r1 1 2 500 c1 2 0 7u rbelasting 2 0 1k .ac lin 20 30 150 .plot ac v(2) .einde 

De respons van een capacitief laagdoorlaatfilter neemt af met toenemende frequentie.

Het inductieve laagdoorlaatfilter is het toppunt van eenvoud, met slechts één onderdeel dat het filter omvat. De capacitieve versie van dit filter is niet zo veel complexer, met alleen een weerstand en condensator die nodig zijn voor de werking.

Ondanks hun toegenomen complexiteit hebben capacitieve filterontwerpen echter over het algemeen de voorkeur boven inductief omdat condensatoren de neiging hebben om "zuiverder" reactieve componenten te zijn dan inductoren en daarom voorspelbaarder zijn in hun gedrag. Met "puur" bedoel ik dat condensatoren weinig resistieve effecten vertonen dan inductoren, waardoor ze bijna 100% reactief zijn.

Inductoren daarentegen vertonen typisch significante dissipatieve (weerstandachtige) effecten, zowel in de lange draadlengtes die worden gebruikt om ze te maken, als in de magnetische verliezen van het kernmateriaal.

Condensatoren hebben ook de neiging om minder deel te nemen aan "koppelingseffecten" met andere componenten (genereren en/of ontvangen interferentie van andere componenten via wederzijdse elektrische of magnetische velden) dan inductoren, en zijn minder duur.

Het inductieve laagdoorlaatfilter heeft echter vaak de voorkeur in AC-DC-voedingen om de AC "rimpel"-golfvorm te filteren die ontstaat wanneer AC wordt omgezet (gerectificeerd) in DC, waarbij alleen de pure DC-component wordt doorgelaten.

De voornaamste reden hiervoor is de eis van een lage filterweerstand voor de uitgang van een dergelijke voeding. Een capacitief laagdoorlaatfilter vereist een extra weerstand in serie met de bron, terwijl het inductieve laagdoorlaatfilter dat niet doet.

Bij het ontwerp van een hoogstroomcircuit zoals een gelijkstroomvoeding waar extra serieweerstand ongewenst is, is het inductieve laagdoorlaatfilter de betere ontwerpkeuze.

Aan de andere kant, als een laag gewicht en compact formaat hogere prioriteiten zijn dan lage interne voedingsweerstand in een voedingsontwerp, kan het capacitieve laagdoorlaatfilter logischer zijn.

Afsnijfrequentie

Alle laagdoorlaatfilters hebben een bepaalde afsnijfrequentie . Dat wil zeggen, de frequentie waarboven de uitgangsspanning daalt tot onder 70,7% van de ingangsspanning. Dit afkappercentage van 70,7 is niet echt willekeurig, hoewel het op het eerste gezicht misschien zo lijkt.

In een eenvoudig capacitief/resistief laagdoorlaatfilter is dit de frequentie waarbij de capacitieve reactantie in ohm gelijk is aan de weerstand in ohm. In een eenvoudig capacitief laagdoorlaatfilter (één weerstand, één condensator), wordt de afsnijfrequentie gegeven als:

Als we de waarden van R en C van de laatste SPICE-simulatie in deze formule invoegen, komen we uit op een afsnijfrequentie van 45.473 Hz. Als we echter kijken naar de plot die is gegenereerd door de SPICE-simulatie, zien we de belastingsspanning ver onder 70,7% van de bronspanning (1 volt), zelfs bij een frequentie zo laag als 30 Hz, onder het berekende afkappunt.

Wat is er verkeerd? Het probleem hier is dat de belastingsweerstand van 1 kΩ de frequentierespons van het filter beïnvloedt, waardoor het afwijkt van wat de formule ons vertelde dat het zou zijn. Zonder die belastingsweerstand produceert SPICE een Bode-plot waarvan de cijfers logischer zijn:(figuur hieronder)

 capacitief laagdoorlaatfilter v1 1 0 ac 1 sin r1 1 2 500 c1 2 0 7u * let op:geen belastingsweerstand! .ac lin 20 40 50 .plot ac v(2) .einde 

Voor het capacitieve laagdoorlaatfilter met R =500 en C =7 µF, moet de uitvoer 70,7% zijn bij 45,473 Hz.

f_cutoff =1/(2πRC) =1/(2π(500 Ω)(7 µF)) =45.473 Hz

Bij het omgaan met filtercircuits is het altijd belangrijk op te merken dat de respons van het filter afhangt van de componentwaarden van het filter en de impedantie van de belasting. Als een afsnijfrequentievergelijking geen rekening houdt met de belastingsimpedantie, gaat deze uit van geen belasting en geeft deze geen nauwkeurige resultaten voor een echt filter dat stroom naar een belasting geleidt.

Toepassing van laagdoorlaatfilter

Een veel voorkomende toepassing van het capacitieve laagdoorlaatfilterprincipe is het ontwerp van circuits met componenten of secties die gevoelig zijn voor elektrische "ruis". Zoals vermeld aan het begin van het laatste hoofdstuk, kunnen AC-signalen soms van het ene circuit naar het andere "koppelen" via capaciteit (C_stray ) en/of wederzijdse inductie (M_verdwaald ) tussen de twee sets geleiders.

Een goed voorbeeld hiervan zijn ongewenste wisselstroomsignalen ("ruis") die onder de indruk raken van gelijkstroomleidingen die gevoelige circuits voeden:(figuur hieronder)

Ruis wordt door verdwaalde capaciteit en wederzijdse inductantie gekoppeld aan "schone" gelijkstroom.

De oscilloscoop-meter aan de linkerkant toont het "schone" vermogen van de gelijkspanningsbron. Na koppeling met de AC-ruisbron via verdwaalde wederzijdse inductantie en parasitaire capaciteit, is de spanning zoals gemeten aan de laadklemmen nu een mix van AC en DC, waarbij de AC ongewenst is.

Normaal gesproken zou je E_load . verwachten exact identiek zijn aan E_bron , omdat de ononderbroken geleiders die ze verbinden, de twee sets punten elektrisch gemeenschappelijk moeten maken. Door de impedantie van de stroomgeleider kunnen de twee spanningen echter verschillen, wat betekent dat de ruisgrootte op verschillende punten in het DC-systeem kan variëren.

Als we willen voorkomen dat dergelijke "ruis" de DC-belasting bereikt, hoeven we alleen maar een laagdoorlaatfilter in de buurt van de belasting aan te sluiten om eventuele gekoppelde signalen te blokkeren. In zijn eenvoudigste vorm is dit niets meer dan een condensator die direct is aangesloten op de voedingsklemmen van de belasting, waarbij de condensator zich gedraagt ​​als een zeer lage impedantie voor AC-ruis en deze kortsluit.

Zo'n condensator heet een ontkoppelcondensator :(Figuur hieronder)

Ontkoppelcondensator, toegepast op belasting, filtert ruis van gelijkstroomvoeding.

Een vluchtige blik op een overvolle printplaat (PCB) onthult meestal ontkoppelcondensatoren die overal verspreid zijn, meestal zo dicht mogelijk bij de gevoelige DC-belastingen.

De grootte van de condensator is meestal 0,1 F of meer, een minimale hoeveelheid capaciteit die nodig is om een ​​impedantie te produceren die laag genoeg is om eventuele ruis te kortsluiten. Een grotere capaciteit zal beter werken bij het filteren van ruis, maar de grootte en economie beperken de ontkoppelcondensatoren tot magere waarden.

BEOORDELING:

• Een laagdoorlaatfilter zorgt voor een gemakkelijke doorgang van laagfrequente signalen van bron naar belasting, en moeilijke doorgang van hoogfrequente signalen.
• Inductieve laagdoorlaatfilters plaatsen een spoel in serie met de belasting; capacitieve laagdoorlaatfilters plaatsen een weerstand in serie en een condensator parallel aan de belasting. Het eerste filterontwerp probeert het ongewenste frequentiesignaal te "blokkeren", terwijl het laatste het kortsluit.
• De afsnijfrequentie voor een laagdoorlaatfilter is die frequentie waarbij de uitgangsspanning (belasting) gelijk is aan 70,7% van de ingangsspanning (bron). Boven de afsnijfrequentie is de uitgangsspanning lager dan 70,7% van de ingang en vice versa.

GERELATEERDE WERKBLAD:

• Werkblad Actieve filters
• Werkblad passieve filtercircuits