Hoogdoorlaatfilters: Ontwerp, Functie en Praktische Toepassingen

Een hoogdoorlaatfilter voert het inverse van een laagdoorlaatfilter uit: het laat hoogfrequente signalen door terwijl het laagfrequente componenten dempt. De twee meest voorkomende implementaties—capacitief en inductief—spiegelen hun laagdoorlaat-gemachten weer, maar met tegenovergestelde impedantiegedragingen.

Capacitief hoogdoorlaatfilter.

De Impedantie van de Condensator

In een capacitief hoogdoorlaatcircuit stijgt de impedantie van de condensator naarmate de frequentie daalt (zie het onderstaande diagram). Deze hoge series impedantie blokkeert effectief laagfrequente energie voor het bereiken van de last.

capacitief hoogdoorlaatfilter
v1 1 0 ac 1 sin
c1 1 2 0.5u
rload 2 0 1k
.ac lin 20 1 200
.plot ac v(2)
.end

De respons van het capacitieve hoogdoorlaatfilter stijgt met de frequentie.

Inductief hoogdoorlaatfilter.

De Impedantie van de Spoel

Een inductief hoogdoorlaatfilter gedraagt zich tegenovergesteld: de impedantie van de spoel daalt met afnemende frequentie, wat een lage-impedantie shunt biedt die laagfrequente signalen kortsluit voordat ze de lastweerstand kunnen aansturen. Het grootste deel van de spanning valt dan over de series weerstand R1.

inductief hoogdoorlaatfilter
v1 1 0 ac 1 sin
r1 1 2 200
l1 2 0 100m
rload 2 0 1k
.ac lin 20 1 200
.plot ac v(2)
.end

De respons van het inductieve hoogdoorlaatfilter stijgt met de frequentie.

In de praktijk wordt het capacitieve ontwerp vaak bevorzugd omdat het slechts één reactief component vereist en superieure zuiverheid biedt; spoels lijden namelijk onder hudeffect en kernverliezen bij hoge frequenties.

Afsnijfrequentie

Net als alle eerstegraadsfilters heeft een hoogdoorlaatfilter een kenmerkende afsnijfrequentie, f_c, waar de uitgang 70,7% (1/√2) van de invoer bedraagt. Voor een capacitief hoogdoorlaatcircuit geldt de standaardformule:

In het bovenstaande voorbeeld is de enige aanwezige weerstand de lastweerstand (1 kΩ), dus die waarde wordt in de berekening gebruikt.

Toepassing van Hoogdoorlaatfilter

Overweeg een stereosysteem: een seriescondensator op de tweeter vormt een hoogdoorlaatfilter, dat laagfrequente basenergie blokkeert die anders verspild zou worden op een luidspreker die het niet kan reproduceren. Omgekeerd fungeert een seriespoel op de woofer als een laagdoorlaatfilter, die de basdriver beschermt tegen hoogfrequente vervorming. De midrange-luidspreker ontvangt het volledige audiospectrum. Voor een verfijnder verdeling kan een banddoorlaatfilter worden gebruikt om de midrange-frequenties exclusief naar de midrange-driver te sturen.

Hoogdoorlaat stuurt hoge tonen naar de tweeter; laagdoorlaat stuurt lage tonen naar de woofer.

In een compleet stereosysteem worden zes drivers ingezet: twee woofers, twee midranges en twee tweeters, elk gevoed door passende filternetwerken.

• Een hoogdoorlaatfilter vergemakkelijkt de doorgang van hoogfrequente signalen terwijl het laagfrequente inhoud dempt.
• Capacitieve hoogdoorlaat-ontwerpen plaatsen een condensator in serie met de last; inductieve ontwerpen voegen een seriesweerstand en een parallelle spoel toe, wat een lage-impedantie shunt creëert voor ongewenste frequenties.
• De afsnijfrequentie markeert het punt waar de uitgang 70,7% van de invoer bedraagt; erboven verbetert de uitgang, eronder wordt het signaal gedempt.

• Actieve Filters Werkblad
• Passieve Filterschakelingen Werkblad