Návrh dolnopriepustného filtra s kondenzátorom

Článok sa zaoberá návrhom dolnopriepustného filtra s dôrazom na použitie kondenzátorov a súvisiacich aspektov, s prihliadnutím na praktické skúsenosti a úskalia pri realizácii.

Úvod do problematiky napájania elektronických zariadení

Všetky elektronické zariadenia vyžadujú pre svoju činnosť elektrickú energiu, ktorá je dodávaná z napájacích zdrojov napätia a prúdu. Väčšina zariadení potrebuje jednosmerné napätie a prúd. Prenosné zariadenia využívajú batérie (primárne zdroje) alebo akumulátory (sekundárne zdroje). Neprenosné zariadenia využívajú energetickú rozvodnú sieť striedavého napätia a prúdu (u nás 220 V / 50 Hz). Preto je potrebné upraviť striedavé napätie z rozvodnej siete na jednosmerné napätie. Na tento účel slúžia sieťové napájacie zdroje.

Bloky sieťového napájacieho zdroja

1. Transformátor: Zabezpečuje zmenu veľkosti napätia z 220V/50Hz na prijateľnú hodnotu.
2. Usmerňovač: Premieňa striedavé napätie na jednosmerné. Používajú sa kremíkové usmerňovacie diódy. Podľa počtu usmerňovacích ciest rozlišujeme jednocestné, dvojcestné a viaccestné usmerňovače. Dvojcestné usmerňovače sa delia na tie so súmerným sekundárnym vinutím transformátora a tie v mostíkovom zapojení (Graetzov mostík).
3. Filtre: Vyhladzujú pulzujúce napätie a minimalizujú prítomnosť prvej harmonickej. Používajú sa filtračné kondenzátory alebo dolnopriepustné filtre (RC alebo LC články). Na výstupe filtra je superponované malé striedavé napätie - napätie zvlnenia Uzv.
4. Stabilizátor: Zabezpečuje nemennosť výstupného napätia alebo prúdu pri rôznom odbere a kolísaní usmerneného napätia.

Vnútorný odpor usmerňovača (Rf) tvorí vnútorný odpor diódy (RD) a vnútorný odpor transformátora (Rtr), ktorý sa skladá z odporu sekundárneho vinutia (Rs) a odporu primárneho vinutia (Rp) pretransformovaného na sekundárnu stranu.

Usmerňovače - základné zapojenia

• Jednocestné
• Dvojcestné
• Mostíkové

Pri rozbore usmerňovačov sa sleduje veľkosť strednej hodnoty usmerneného napätia Uo a prúdu Io, veľkosť napätia zvlnenia Uzv a podmienky pre výber diód.

Dolnopriepustný filter (Low Pass Filter)

Dolnopriepustný filter, označovaný aj ako low-pass filter, je elektronický obvod, ktorý prepúšťa signály s frekvenciou nižšou ako je určitá hraničná frekvencia a zároveň tlmí signály s frekvenciou vyššou ako táto hraničná frekvencia. Používa sa na odstránenie nežiaducich vysokofrekvenčných zložiek zo signálu alebo na oddelenie nízkych frekvencií od vysokých.

Prečítajte si tiež: Olejový filter pre BMW E87

Aplikácie dolnopriepustných filtrov

• Audio technika: Odstránenie šumu a rušenia z audio signálu.
• Napájacie zdroje: Vyhladenie napätia a odstránenie zvlnenia.
• Meracie prístroje: Obmedzenie frekvenčného rozsahu meraného signálu.
• Telekomunikácie: Filtrovanie signálov a oddelenie rôznych frekvenčných pásiem.

Konštrukcia dolnopriepustného filtra

Dolnopriepustné filtre sa dajú realizovať rôznymi spôsobmi, najčastejšie sa používajú:

• RC filter: Jednoduchý filter pozostávajúci z rezistora (R) a kondenzátora (C).
• LC filter: Filter pozostávajúci z induktora (L) a kondenzátora (C).
• Aktívny filter: Filter, ktorý využíva operačný zosilňovač na dosiahnutie lepších vlastností.

V kontexte návrhu dolnopriepustného filtra s kondenzátorom sa zameriame najmä na RC a LC filtre.

RC dolnopriepustný filter

RC filter je najjednoduchší typ dolnopriepustného filtra. Skladá sa z rezistora a kondenzátora zapojených do série. Vstupný signál sa privádza na sériovú kombináciu rezistora a kondenzátora a výstupný signál sa odoberá z kondenzátora.

Princíp činnosti: Pri nízkych frekvenciách má kondenzátor vysokú impedanciu, takže väčšina signálu prechádza na výstup. Pri vysokých frekvenciách má kondenzátor nízku impedanciu, takže väčšina signálu je uzemnená cez kondenzátor a na výstupe sa objaví len malá časť signálu.

Hraničná frekvencia (fc): Frekvencia, pri ktorej je útlm filtra 3 dB. Vypočíta sa podľa vzorca:

Prečítajte si tiež: Zdravé vysávanie s HEPA filtrom

fc = 1 / (2 * π * R * C)

kde:

• fc je hraničná frekvencia v Hz
• R je hodnota rezistora v ohmoch
• C je hodnota kondenzátora vo faradoch

Výhody RC filtra:

• Jednoduchá konštrukcia
• Nízka cena

Nevýhody RC filtra:

• Pomalý útlm signálu nad hraničnou frekvenciou
• Vysoká impedancia výstupu

LC dolnopriepustný filter

LC filter je zložitejší typ dolnopriepustného filtra. Skladá sa z induktora a kondenzátora. Existuje viacero konfigurácií LC filtrov, napríklad Pi filter a T filter.

Princíp činnosti: Induktor má nízku impedanciu pre nízke frekvencie a vysokú impedanciu pre vysoké frekvencie. Kondenzátor má opačné vlastnosti. Kombináciou týchto dvoch prvkov sa dosiahne strmší útlm signálu nad hraničnou frekvenciou ako pri RC filtri.

Hraničná frekvencia (fc): Vypočíta sa podľa vzorca:

fc = 1 / (2 * π * √(L * C))

kde:

Prečítajte si tiež: Ako efektívne vyhľadávať informácie?

• fc je hraničná frekvencia v Hz
• L je hodnota induktora v henry
• C je hodnota kondenzátora vo faradoch

Výhody LC filtra:

• Strmší útlm signálu nad hraničnou frekvenciou
• Nižšia impedancia výstupu

Nevýhody LC filtra:

• Zložitejšia konštrukcia
• Vyššia cena
• Možnosť rezonancie

Butterworth Pi LC dolnopriepustný filter

Butterworth Pi LC dolnopriepustný filter je typ LC filtra, ktorý sa vyznačuje rovnou frekvenčnou odozvou v prechodovom pásme. Bol vynájdený britským inžinierom a matematikom Stephenom Butterworthom v roku 1930.

Vlastnosti:

• Rovná frekvenčná odozva v prechodovom pásme
• Strmý útlm signálu nad hraničnou frekvenciou
• Pasívny filter, ktorý používa kombináciu induktívnych a kapacitných prvkov

Návrh:

Návrh Butterworth Pi LC dolnopriepustného filtra pozostáva z určenia hodnôt indukčnosti a kapacity pre každý stupeň filtra. Prvým krokom je určenie hornej hranice frekvencie. Druhým krokom je určenie počtu stupňov filtra. Tretím krokom je určenie hodnôt indukčnosti a kapacity pre každý stupeň filtra pomocou tabuliek alebo vzorcov.

Použitie:

Butterworth Pi LC dolnopriepustný filter sa používa v rôznych aplikáciách, kde je potrebné zachovať nízke frekvencie signálu a potláčať vysoké frekvencie.

Výpočet:

Pre výpočet Butterworth Pi LC dolnopriepustného filtra sa používa vzorec na výpočet hodnôt indukčnosti a kapacity jednotlivých prvkov v obvode:

L1 = Z1 / (2 * π * fc)C1 = 1 / (Z1 * 2 * π * fc)

kde:

• L1 a C1 predstavujú hodnoty indukčnosti a kapacity pre prvý stupeň filtra
• Z1 predstavuje impedanciu vstupu filtra
• fc je hraničná frekvencia

Faktory ovplyvňujúce návrh dolnopriepustného filtra

Pri návrhu dolnopriepustného filtra je potrebné zohľadniť nasledujúce faktory:

• Hraničná frekvencia: Frekvencia, pri ktorej má filter začať tlmiť signál.
• Útlm: Miera, akou filter tlmí signál nad hraničnou frekvenciou.
• Impedancia: Vstupná a výstupná impedancia filtra.
• Zvlnenie: Miera zvlnenia v prechodovom pásme filtra.
• Typ filtra: Výber vhodného typu filtra (RC, LC, aktívny) závisí od požiadaviek aplikácie.

Praktické aspekty návrhu a realizácie

• Výber komponentov: Je dôležité použiť kvalitné komponenty s presnými hodnotami.
• Parazitné vlastnosti: Je potrebné zohľadniť parazitné vlastnosti komponentov (napr. indukčnosť rezistorov, kapacita induktorov).
• Umiestnenie komponentov: Umiestnenie komponentov na doske plošných spojov môže ovplyvniť vlastnosti filtra.
• Tienenie: Tienenie filtra môže znížiť rušenie z okolia.

Praktické skúsenosti a riešenie problémov

V úvode spomenuté problémy s návrhom a realizáciou dolnopriepustných filtrov sa často týkajú nasledujúcich oblastí:

• Nesprávne meranie vstupného signálu: Je dôležité správne zmerať vstupný signál, aby sa predišlo problémom s návrhom filtra.
• Chybné zapojenie: Nesprávne zapojenie komponentov môže viesť k nefunkčnosti filtra.
• Použitie nevhodných komponentov: Použitie nevhodných komponentov (napr. elektrolytických kondenzátorov na výstupe operačných zosilňovačov) môže zhoršiť vlastnosti filtra.
• Problémy so zemnením: Nesprávne zemnenie môže spôsobiť rušenie a nestabilitu filtra.
• Limitácia zosilňovača: Ak je zosilňovač prebudený, môže dôjsť k limitácii signálu a skresleniu.

Riešenie problémov:

• Kontrola zapojenia: Dôkladná kontrola zapojenia podľa schémy.
• Meranie napätí: Meranie napätí v rôznych bodoch obvodu na odhalenie problémov.
• Použitie osciloskopu: Použitie osciloskopu na sledovanie signálu v rôznych bodoch obvodu.
• Náhrada komponentov: Vyskúšanie rôznych hodnôt komponentov na optimalizáciu vlastností filtra.
• Zlepšenie zemnenia: Zabezpečenie kvalitného zemnenia obvodu.

Príklad praktického problému a riešenia

Používateľ spomína problém s predzosilňovačom a dolnopriepustným filtrom pre subwoofer. Po zapojení filtra a zosilňovača dochádza k problémom so signálom.

Možné príčiny:

• Chybné zapojenie: Nesprávne zapojenie vstupov a výstupov filtra a zosilňovača.
• Nevhodné hodnoty komponentov: Nesprávne zvolené hodnoty kondenzátorov a rezistorov v obvode filtra.
• Problémy s napájaním: Asymetrické napájanie filtra, ktoré spôsobuje prienik jednosmernej zložky na vstup zosilňovača.
• Rušenie: Rušenie z okolia, ktoré ovplyvňuje signál.

Riešenie:

1. Kontrola zapojenia: Skontrolovať zapojenie vstupov a výstupov filtra a zosilňovača podľa schémy. Uistiť sa, že vstupy sú správne prepojené (napr. dva kondenzátory na ľavý kanál a jeden na subwoofer).
2. Kontrola napájania: Uistiť sa, že filter je napájaný symetrickým napätím. Ak je napájanie asymetrické, použiť stabilizátor na symetrické napätie.
3. Meranie napätí: Zmerať napätie na výstupe operačného zosilňovača NE5532. Napätie by malo byť blízke 0V. Ak je napätie výrazne odlišné od 0V, môže to znamenať problém s napájaním alebo poškodenie operačného zosilňovača.
4. Testovanie signálu: Priviesť signál pred kondenzátor 0,47u a skontrolovať, či je signál správny.
5. Návrh dolnopriepustného filtra: Použiť vhodné hodnoty komponentov pre požadovanú hraničnú frekvenciu. V prípade potreby použiť online kalkulačku na výpočet hodnôt.
6. Ochrana reproduktorov: Zapojiť ochranu reproduktorov na výstup zosilňovača, aby sa predišlo poškodeniu reproduktorov v prípade poruchy.

Úprava zosilňovača AZK51

Zosilňovač AZK51 má v pôvodnej schéme nedostatky, ktoré ovplyvňujú jeho výkon. Medzi hlavné nedostatky patrí malá šírka pásma, čo spôsobuje stratu farby vyšších tónov.

Úpravy:

• Zvýšenie pracovných bodov: Zvýšenie pracovných bodov jednotlivých stupňov zosilňovača.
• Prestavenie prúdového zdroja: Prestavenie prúdového zdroja diferenciálneho stupňa na 3mA (pôvodne necelý 1mA) pre zlepšenie linearity.
• Nastavenie prúdu rozkmitom: Nastavenie prúdu rozkmitom na 10mA (pôvodne 4,5mA) pre zvýšenie rýchlosti a šírky pásma.
• Frekvenčná kompenzácia: Doladenie frekvenčnej kompenzácie prídavnými kapacitami a Boucherotovým členom na výstupe.

Tieto úpravy umožňujú získať frekvenčný rozsah od 15-100 000Hz a rýchlosť priebehu cca 13V/us.

Popis obvodu zosilňovača AZK51:

• Vstupný kondenzátor C1: Zabraňuje prieniku jednosmernej zložky.
• Dolnopriepustný filter R1 a C2: Potláča vysoké frekvencie a prispieva k stabilite zosilňovača.
• Vstupná impedancia R2: Definuje vstupnú impedanciu zosilňovača (18kΩ).
• Diferenciálny zosilňovač T1a a T1b: Vstupný diferenciálny zosilňovač.
• Prúdový zdroj T2: Napája konštantným prúdom dvojicu tranzistorov T1a a T1b.
• Napäťový zosilňovač T3: Pracuje v triede A s prúdom 10mA.
• Prúdový zdroj T4: Plní funkciu prúdového zdroja pre T3 a zároveň jeho dynamickú záťaž.
• Frekvenčná kompenzácia C3 a C4: Prispievajú k celkovej stabilite zosilňovača.
• Tepelná väzba a regulácia pokojového prúdu T5, R7, R8 a trimer 220Ω.
• Budiče T8 a T9: Budené s napäťového zosilňovača.
• Prúdová poistka R11, R12, R15, R16, T6, T7, D2, D3, D4, D5, C6, C7.
• Darlingtonovo zapojenie T9, T10, T11 a T1: Zosilňujú prúdovo.
• Boucherotov člen: Napomáha k ďalšej stabilite zosilňovača.
• Ochrana reproduktorov: Realizovaná pomocou komparátora, ktorý sníma jednosmerné napätie na výstupe zosilňovača.
• Oneskorené pripojenie reproduktorov T15: Realizované pomocou usmerneného striedavého napätia a kondenzátora C14.

Ďalšie dôležité súvislosti

Spracovanie zvuku a efekty

V kontexte spracovania zvuku existuje množstvo efektov, ktoré využívajú princípy filtrovania a posunu výšky tónu. Medzi tieto efekty patria:

• Crystals: Kombinuje dva spätné prepínače výšky tónu, oneskorenia, spätnú väzbu a reverb.
• Diatonic Pitch Shifter: Sleduje noty a posúva výšku o zvolený harmonický interval.
• Harmonizer: Vytvára harmónie k pôvodnému signálu.
• HarModulator: Kombinuje chromatické prepínače výšky tónu s moduláciou.
• HarPeggiator: Vytvára arpeggiá s voliteľnými rytmickými vzormi.

Audio technika a reproduktory

V audio technike sa dolnopriepustné filtre používajú aj v subwooferoch na oddelenie nízkych frekvencií od vyšších. Dôležité sú aj kvalitné reproduktory a reprosústavy.

Typy reproduktorov:

• Regálové reprosústavy
• Stropné reproduktory
• Subwoofery
• Slúchadlá

Parametre reproduktorov:

• Výkon
• Frekvenčný rozsah
• Impedancia
• Citlivosť

tags: #dolnopriepustny #filter #navrhnut #kondenzator