Filtru trece-jos

Filtru trece-jos

Definitia filtrului trece-jos

Filtrul trece-jos permite trecerea (impedanta mica) semnalelor de frecventa joasa si blocheaza trecerea (impedanta mare) celor de frecventa inalta.

Filtrul trece-jos inductiv

Exista doua tipuri de circuite capabile sa indeplineasca aceste conditii, si multe versiuni din fiecare. Pentru inceput vom considera varianta inductiva.

In aceasta configuratie, impedanta bobinei creste odata cu cresterea frecventei, iar aceasta impedanta in serie cu rezistenta de sarcina (bec, motor electric, ventilator, etc.) face ca semnalele de frecventa inalta sa nu ajunga la sarcina (blocarea/filtrarea lor).

Diagrama Bode

Grafic, comportamentul filtrului, atunci cand este supus unei forme de unda multi-frecventa, arata astfel.

Filtrul trece-jos capacitiv

Sa consideram si varianta capacitiva a aceluiasi filtru.

Impedanta condensatorului scade odata cu scaderea frecventei. Acesta impedanta mica, conectata in paralel cu rezistenta de sarcina, duce la scurt-circuitarea celei din urma la semnalele de frecventa inalta, iar mare parte din caderea de tensiune se va regasi pe rezistorul serie R₁.

Diagrama Bode

Grafic, acest lucru arata precum in figura alaturata.

Comparatie intre filtrele trece-jos inductive si capacitive

Filtrul trece-jos inductiv este cat se poate de simplu, constand doar dintr-un singur component, bobina. Versiunea capacitiva a aceluiasi filtru nu este nici ea mai complicata, constand dintr-un rezistor si un condensator. Totusi, filtrele capacitive, chiar daca sunt putin mai complexe, sunt cele mai des intalnite configuratii, deoarece condensatoarele sunt in general elemente reactive mai "pure" decat bobinele, prin urmare, comportamentul acestora este mult mai previzibil. Prin pur se intelege faptul ca rezistenta condensatoarelor este mult mai mica decat cea a bobinelor, fiind astfel aproape 100% reactive. Bobinele, pe de alta parte, prezinta efecte disipative importante (rezistive), atat in lungimea firelor utilizate cat si prin pierderile magnetice din miezul magnetic. Condensatoarele sunt mult mai putin supuse efectelor de "cuplaj" cu alte componente si sunt mult mai ieftine decat bobinele.

Totusi, filtrul trece-jos inductiv este adeseori preferat in cazul redresarii tensiunii de curent alternativ in curent continuu pentru eliminarea varfurilor create in aceasta situatie, rezultand o componenta continua pura. Principalul motiv al alegerii consta in necesitatea unei rezistente mici a filtrului pentru iesirea unei astfel de surse de alimentare. Un filtru capacitiv necesita introducerea unei rezistente suplimentare in serie cu sursa, pe cand unul inductiv nu. Daca in circuitul de curent continuu considerat, adaugarea unei rezistente suplimentare nu este de dorit, atunci filtrul trece-jos inductiv este cea mai buna alegere pentru filtrarea formei de unda. Pe de alta parte, daca prioritatile principale sunt un volum si o greutate scazuta, atunci filtrul capacitiv este cea mai buna alegere.

Frecventa de taiere

Toate filtrele trece-jos au o anumita proprietate, si anume, frecventa de taiere, si reprezinta frecventa peste care tensiunea de iesire a circuitului scade sub 70,7% din valoarea tensiunii de intrare. Aceasta valoare de 70,7% nu este arbitrara, chiar daca pare asa la prima vedere.

Intr-un circuit simplu trece-jos capacitiv sau inductiv, frecventa de taiere reprezinta frecventa la care reactanta capacitiva este egala cu rezistenta (ambele valori fiind exprimate in ohmi). Intr-un circuit trece-jos capacitiv simplu (un rezistor si un condensator), frecventa de taiere este data de urmatoarea formula:

Realizand calculele, ajungem la valoarea frecventei de taiere, 45,473 Hz. Intrucat formula de mai sus nu ia in considerare si rezistenta de sarcina din circuit, refacem graficul de mai sus, eliminand sarcina din circuit.

Este important de tinut minte ca raspunsul filtrului depinde de valorile componentelor acestuia precum si de impedanta sarcinii. Daca ecuatia frecventei de taiere nu ia in considerare si aceasta impedanta, sarcina nu este luata in considerare, iar valorile reale ale frecventei de taiere vor fi diferite de valoarea calculata.

Utilizarea filtrelor pentru eliminarea zgomotului

O aplicatie frecventa a filtrului trece-jos capacitiv este in cadrul circuitelor ce prezinta componente sau sectiuni susceptibile zgomotului electric. Un exemplu este suprapunerea zgomotului de curent alternativ peste liniile electrice de curent continuu folosite pentru alimentarea circuitelor sensibile prin capacitatea si inductanta mutuala parazita (C_p si M_p.

Aparatul de masura din stanga masoara o tensiune de alimentare in curent continuu "curata". Dupa realizarea cuplajului cu circuitul de curent alternativ, prin inductanta mutuala si capacitatea parazita, tensiunea masurata la bornele sarcinii prezinta un amestec de curent continuu si curent alternativ, componenta alternativa fiind cea nedorita. In mod normal ne-am astepta ca E_sarcina sa fie identica cu E_sursa datorita faptului ca nu exista intreruperi ale conductorilor de la sursa la sarcina, iar cele doua seturi de cate doua puncte ar trebui sa fie comune din punct de vedere electric. Totusi, amplitudinea zgomotului poate varia in diferite puncte ale sistemului de curent continuu.

Condensatorul de decuplare

Scopul nostru este de a preveni astfel de zgomote in circuitul de curent continuu, iar pentru aceasta este suficienta conectarea unui filtru trece-jos la iesirea circuitului, inainte de sarcina, pentru blocarea oricaror semnale de cuplaj nedorite. Sub forma cea mai simpla, acest filtru nu este nimic mai mult decat un condensator conectat direct la bornele sarcinii, acesta prezentand o impedanta foarte mica fata de orice zgomot de curent alternativ. Un astfel de condensator poarta numele de condensator de decuplare.

Capacitatea unui condensator de decuplare este in mod normal in jurul valorii de 0,1 µF, sau peste, fiind capacitatea minima necesara pentru producerea unei impedante suficient de mari pentru scurt-circuitarea oricarui zgomot.