CR Grandinės Kaip Filtras: Išsamus Paaiškinimas

Elektronikoje filtrai atlieka gyvybiškai svarbią funkciją - jie leidžia tam tikrus signalo dažnių komponentus, tuo pačiu blokuodami visus kitus. Pavyzdžiui, radijo ar televizijos imtuve derinimo filtro grandinė atmeta nepageidaujamus dažnius, leisdama praeiti tik norimam kanalui. Šiame straipsnyje gilinsimės į CR grandinių, kaip pagrindinių filtrų elementų, veikimo principus, jų tipus, taikymą ir svarbą kuriant stabilesnius ir efektyvesnius elektroninius įrenginius.

1. Įrenginio ir Filtro Grandinės Pasirinkimas: CR Grandinių Pagrindai

Kondensatoriai, induktoriai, RC grandinės ir kitos filtrų grandinės dažnai naudojamos lygintuvo filtrų grandinėse. Šių grandinių pagrindinis tikslas yra išlyginti kintamąją srovę į nuolatinę arba pašalinti nepageidaujamus signalus.

Viena iš filtravimo technikų yra induktyvus filtravimas. Sukūrus pulsuojančiai srovei priešingą elektrovaros jėgą su induktoriumi, galima pasiekti filtravimo efektą, kuris neleidžia staigiai keistis srovei. Filtravimo efektas gerėja didėjant induktyvumui. Paprastai šis metodas naudojamas lauko stotyse, kuriose yra didelė apkrovos srovė ir nereikia itin tikslaus filtravimo.

Kita svarbi grandinė yra RC filtro grandinė, kuri naudoja kondensatorius ir rezistorius. Sumažinus nuolatinės įtampos dalį, rezistorius tinka tik grandinėms su maža srove, nes jis sukelia energijos nuostolius. Talpinis filtravimas padidina įtampos amplitudę ir stabilizuoja ištaisytą išėjimo įtampą, panaudojant kondensatoriaus įkrovimo ir iškrovimo efektus. Jis gerai veikia įvairiose lygintuvo grandinėse ir pasižymi tinkamu filtravimo efektu.

Kondensatorių Rūšys ir Jų Savybės

Dažnai naudojami lygintuvų ir filtrų kondensatorių pavyzdžiai yra tantalo elektrolitiniai, aliuminio elektrolitiniai ir monolitiniai kondensatoriai.

• Aliuminio elektrolitiniai kondensatoriai: Nepaisant didžiulės talpos, jie pasižymi žema atsparumo įtampa, didele nuotėkio srove ir žema darbinės temperatūros riba (iki 70 laipsnių Celsijaus).
• Tantalo kondensatoriai: Paprastai naudojami vietose, kurioms keliami aukštesni reikalavimai. Jie turi didesnę atsparumo įtampą, aukštesnę darbinę temperatūrą ir mažesnes nuotėkio sroves nei aliuminio elektrolitiniai kondensatoriai.
• Poliesterio kondensatoriai: Pasiekiamos didelė izoliacinė varža, maži nuostoliai, kompaktiška talpa, žema darbinė temperatūra (iki 55 laipsnių Celsijaus) ir aukšta atsparumo įtampa.

Talpos ir Įtampos Nustatymas

Paprastai, kai ištaisyta išvesties srovė yra didelė, įtampa turi būti stabilizuota per elektrolitinio kondensatoriaus filtravimą. Kai išėjimo srovė yra maža, filtruoti galima naudoti paprastus kondensatorius arba elektrolitinius kondensatorius. Jei nuolatinės srovės stabilizuoto maitinimo šaltinio išėjimo įtampos pulsacijos koeficientui keliami griežti reikalavimai arba siekiama išvengti aukšto dažnio triukšmo, geriausia lygiagrečiai naudoti elektrolitinius kondensatorius ir mažos talpos nepolinius kondensatorius. Mažos talpos kondensatoriai gali filtruoti didelio dažnio harmonikas, o elektrolitiniai kondensatoriai - daug žemo dažnio komponentų. Toks derinys užtikrina platų įtampos stabilizavimo diapazoną ir gerą bendrą poveikį.

Lygintuvo filtro grandinė nereikalauja per didelės talpos ir įtampos varžos. Paprastai kondensatoriaus talpa apskaičiuojama pagal išėjimo srovę: jei išėjimo srovė yra didelė, talpa taip pat yra didelė; jei srovė maža, talpa taip pat maža. Tačiau per didelė talpa gali sumažinti išėjimo įtampos vertę, o per maža - sukelti didelius ir nestabilius įtampos svyravimus. Todėl talpa nustatoma atidžiai atsižvelgiant į sistemos poreikius.

2. Įtampos Stabilizavimo Grandinės ir Įrenginio Pasirinkimas

Yra dviejų tipų įtampos stabilizavimo grandinės: atskirų komponentų įtampos stabilizavimo grandinės ir integruotos įtampos stabilizavimo grandinės.

• Atskirų komponentų grandinės: Dažniausiai naudojamos žemos įtampos ir mažos srovės lygintuvų grandinėse. Jos pasižymi mažu dydžiu, paprasta grandine, aukštu įtampos stabilizavimo tikslumu ir patogiu naudojimu bei derinimu. Renkantis tokį komponentą, pirmiausia reikia nustatyti, ar grandinė yra teigiama ar neigiama, reguliuojama ar fiksuota. Antra, reikia pasirinkti konkretų modelį pagal jo vardinę įtampą ir srovę.
• Integruotos grandinės: Tai sudėtingesni sprendimai, dažnai naudojami aukštesnės klasės įrenginiuose, kur reikalingas didesnis stabilumas ir tikslumas.

Tuo pačiu metu, kai įtampos reguliatorius yra prijungtas prie lygintuvo grandinės, reikia atitinkamai pridėti kai kuriuos apsaugos komponentus. Pavyzdžiui, prijungti diodus prie įvesties/išvesties gnybtų, kad būtų išvengta trumpųjų jungimų įvesties gnybtuose, ir prijungti mažus kondensatorius tarp įvesties. Šie papildomi elementai užtikrina grandinės patikimumą ir ilgaamžiškumą.

3. Žemųjų Dažnių Filtras (LPF) ir Jo Veikimo Principai

Elektroniniuose įrenginiuose filtrai yra grandinės, kurios leidžia norimus dažnio komponentus ir blokuoja visus kitus signalo dažnio komponentus. Filtras, leidžiantis tik žemo dažnio komponentus ir blokuojantis visus kitus aukštesnio dažnio komponentus, vadinamas žemųjų dažnių filtru (LPF - Low-Pass Filter). Pats LPF pavadinimas rodo žemo diapazono dažnį. Šio tipo filtrų grandinė leidžia signalo dažnio komponentus, esančius žemiau pjūvio dažnio.

Žemųjų dažnių filtro stiprinimas yra atvirkščiai proporcingas dažniui. Jei įvesties signalo dažnis didėja, grandinės stiprinimas mažėja, o pereinamosios juostos galinėje stadijoje taip pat tampa nuliu. Taigi pralaidumas taip pat yra ribotas. Tačiau praktiškai LPF leidžia signalo žemo diapazono dažnio komponentus, net jei jie pasiekia po ribinio dažnio.

Pasyvūs LPF Grandinės

Pasyvūs filtrai naudoja tokius elementus kaip rezistorius (R), kondensatorius (C) ir induktoriaus ritė (L).

• Pirmos eilės LPF:

  • Indukcinis tipas (RL grandinė): Didėjant signalo dažniui, didėja induktoriaus varža. Dėl to blokuojami aukšto dažnio signalai ir per grandinę leidžiami tik žemi signalai.
  • Talpinis tipas (RC grandinė): Šis tipas taip pat vadinamas paprasta žemo dažnio filtro grandine. Kai signalo dažnis didėja, kondensatoriaus varža mažėja, blokuodama aukštus signalo dažnius ir per grandinę leisdama tik žemus signalo dažnius.

• Antros eilės LPF (RLC grandinė): Šio tipo LPF veikia efektyviau nei pirmos eilės LPF, nes du pasyvūs elementai, induktorius ir kondensatorius, kartu blokuoja aukštus įvesties signalo dažnius.

Aktyvūs LPF Grandinės (su Operaciniu Stiprintuvu)

LPF, naudojant operacinį stiprintuvą (Op-Amp), vadinamas aktyviuoju žemųjų dažnių filtru. Labai lengva sukurti aktyviojo LPF grandinę, nenaudojant tokių elektrinių komponentų kaip induktoriai, kuriuos labai sunku suprojektuoti ir kurie yra brangūs. Operaciniai stiprintuvai naudojami filtrų grandinėse signalui sustiprinti ir stiprinimui valdyti. Jie keičia dažnio atsaką ir sukuria geresnį įtampos padidėjimą savo grįžtamuoju ryšiu. Aktyvieji filtrai pasižymi didesne įėjimo varža, mažesne išėjimo varža, mažu triukšmu ir aukštu našumo lygiu.

• Pirmos eilės aktyvioji LPF grandinė: Sukuriama su kondensatoriumi, rezistoriumi ir operaciniu stiprintuvu. Amplitudės išėjimo signalas, gaunamas iš RC žemųjų dažnių filtro grandinės, yra mažesnis nei įvesties signalo amplitudė. Šis žemo dažnio signalas tiekiamas į Op-amp kaip įvestis, kad būtų pasiektas stiprinimas ir filtro stabilumas. Čia operatyvinis stiprintuvas veikia kaip buferio grandinė.
• Antros eilės aktyvioji LPF grandinė: Sukuriama kaskaduojant dvi RC žemųjų dažnių filtrų grandines su operaciniu stiprintuvu. Čia Op-amp veikia kaip įtampos valdomas šaltinio stiprintuvas. Dažnio atsakas yra panašus į pirmos eilės aktyviojo LPF, tačiau sustabdymo juostos stiprinimas yra du kartus didesnis. Kaskadinės filtrų grandinės sudaro aukštesnės eilės filtrus.

4. Dažnio Atsako Charakteristikos ir Taikymo Sritys

Dažnio atsako charakteristikos nubrėžiamos tarp stiprinimo (dB) ir dažnio (Hz). Žemuose dažniuose LPF stiprinimas yra didesnis nei filtro pralaidumo dažnis. Esant aukštiems dažniams, LPF stiprinimas yra mažesnis už jo pralaidumo dažnių dažnį ir sumažėja iki -20 dBA, kai dažnis didėja. Išėjimo įtampa sumažėja 70.71% žemiau įėjimo įtampos.

Žemųjų dažnių filtrų taikymo sritys yra plačios:

• Naudojami aukšto dažnio signalų triukšmui pašalinti.
• Naudojami garso programose.
• Naudojami biomedicinoje.
• Naudojami elektroninėse programose, pvz., garsiakalbiuose, žemųjų dažnių garsiakalbiuose ir kt.
• Naudojami skaitmeniniuose į analoginius keitikliuose.
• Naudojami kaip anti-aliasing filtrai.
• Naudojami bangų analizatoriuose, garso stiprintuvuose ir ekvalaizeriuose.

LPF paskirtis yra leisti tik žemo dažnio signalus ir blokuoti aukšto dažnio signalus, taip užtikrinant signalo vientisumą ir sistemos stabilumą.

5. Elektrinių Filtru Lyginimas: Pasyvūs vs. Aktyvūs Filtrai

Elektrinius filtrus galima suskirstyti į pasyvius ir aktyvius. Pasyvūs filtrai, sudaryti iš rezistorių, kondensatorių ir induktorių, yra paprasti, tačiau jų pralaidumo juostos ribose signalas gali pasikeisti iki 30%, o tai iškraipo praėjusio signalo informaciją. Be to, jungiant pakopomis šiuos filtrus, labai keičiasi bendras grandinių pralaidumo juostos plotis.

Specialios grandinės, vadinamos elektriniais filtrais, neturi šių trūkumų. Jose, pralaidumo juostos ribose perdavimo koeficientas yra pastovus ir dažniausiai lygus vienetui. Todėl, jungiant pakopomis tokias grandines, išlieka pastovi pralaidumo juosta ir naudingas signalas neiškraipomas.

Filtrai klasifikuojami pagal pralaidumo juostos padėtį dažnių ašyje (žemo dažnio, aukšto dažnio, juostiniai), jų elektrinės grandinės sandarą (LC filtrai, RC filtrai) ir filtravimo principą. LC filtrai, sudaryti grynai iš reaktyvių elementų, gali būti K tipo ir M tipo. RC filtrai yra patrauklūs dėl savo paprastumo, tačiau jų kokybė pagerinama naudojant stiprintuvus, todėl jie vadinami aktyviaisiais RC filtrais arba tiesiog aktyviaisiais filtrais. Tokiuose filtruose RC grandis įjungiama į stiprintuvo grįžtimo ryšio grandinę, dažniausiai naudojant specialius operacinius stiprintuvus.

tags: #cr #grandine #kaip #filtras

Populiarūs įrašai:

• Vandens valymo technologijos Gudkaimyje
• Skaitykite apie vandens valymą akvariumuose
• Dyzelinių dalelių filtro (DPF) valymas Peugeot 207 SW
• Kaip veikia rotacinis alyvos filtras
• Filtro keitimas automobilyje