Filtry

Filtry se obecně používají v různých oblastech elektrotechniky jako členy, které upravují kmitočtovou charakteristiku signálu. V oblasti vf a nf techniky se používají funkční bloky, které mají za úkol zpracovávat pouze určitá frekvenční pásma. Filtry se používají k vymezení pracovní frekvenční oblasti.

Filtry dělíme obecně na pasivní a aktivní.

Pasivní filtry

jsou složeny pouze z RLC součástek. Jejich strmost je určena z parametrů - kvalit jednotlivých součástek. Někdy bývá strmost nedostačující a výstupní filtrovaný signál ztrácí výkonovou úroveň vůči vstupnímu. I když lze vyrobit velmi kvalitní RLC filtry, často se používá součástek RLC zapojených s nějakým aktivním prvkem. Pak mluvíme o aktivních filtrech. Aktivním prvkem bývá často tranzistor nebo operační zesilovač - obecně libovolná zesilující struktura.

Základními prvky pro vytvoření filtru je pásmová zádrž a propusť. Jejich obvodovou kombinací vzniká pásmový filtr. Existují čtyři druhy filtrů: dolní propusti (horní zádrže), horní propusti (dolní zádrže), pásmové propusti nebo pásmové zádrže.

Filtr je definován svou frekvenční šířkou (B), která je dána rozdílem horní a dolní mezní frekvence. Parametrem určujícím kvalitu filtru je strmost průběhu kmitočtové charakteristiky. Požaduje se stabilní frekvenční útlum v celé šíři pásma filtru. Pro úpravu číslicového signálu se používají číslicové filtry, které pracují na jiných principech.

 

Ukázky nejjednodušších dolních propustí pomocí RLC součástek

Obr. 1: RC dolní propust

Obr. 2: LC dolní propust

 

Vyhlazovací filtry

Ve většině případů, kdy napájíme síťovým napájecím zdrojem elektronická zařízení, musíme provádět před případnou stabilizací ještě filtraci výstupního napětí za usměrňovačem. Účinnost filtru posuzujeme podle činitele filtrace (vyhlazení), který udává, kolikrát zmenšuje filtr amplitudu první harmonické. Nejjednodušším filtračním prvkem je kondenzátor, který se řadí za usměrňovač. Jeho úkolem je zmenšit zvlnění usměrňovače buď na hodnotu již přímo použitelnou pro některé obvody bez velkých nároků na čistotu napájecího napětí nebo na hodnotu použitelnou pro další filtrační řetězec. Pro malé proudy se používají filtry RC, neboť na rezistoru by při větších proudech vznikl neúměrný úbytek napětí. Pro větší proudy se používají LC filtry. Větší filtrační účinek než pasivní filtry mají filtry aktivní. Při menších rozměrech mají větší filtrační účinek než filtry pasivní.

Je třeba zajistit, aby činitel zvlnění φ_zv byl udržen v mezích dle nároků kladených na konkrétní obvody.

Nejpřísnější požadavky na minimální zvlnění jsou kladeny na zdroj napájející vstupní obvody nf zesilovačů, kde mají užitečné signály malou úroveň. Méně náročné požadavky jsou na výkonové obvody, ještě menší např. na obvody anodového napětí obrazovky v televizorech. Pro snížení zvlnění zařazujeme mezi výstup usměrňovače a napájené obvody filtr. Účinek filtru posuzujeme velikostí činitele vyhlazení φ_v, který udává, kolikrát daný filtr zmenšuje amplitudu první harmonické.

kde U_zv1 …maximální amplituda zvlnění (1. harmonické) před filtrem (na vstupu filtru);

U_zv2 …maximální amplituda zvlnění (1. harmonické) za filtrem (na výstupu filtru);

φ_zv1 …činitel zvlnění před filtrem (na vstupu filtru);

φ_zv2 …činitel zvlnění za filtrem (na výstupu filtru).

Obr. 3: Pasivní vyhlazovací filtry

Obr. 4: Aktivní vyhlazovací filtr

Je-li filtr několikastupňový, je výsledný činitel vyhlazení dán součinem činitelů vyhlazení jednotlivých stupňů. Výsledný činitel zvlnění φ_zv závisí převážně na zapojení usměrňovače, velikosti zatěžovacího odporu a kapacitě filtračního kondenzátoru C₁. Pro praktické návrhy jsou sestaveny vzorce, pomocí kterých lze s dostatečnou přesností stanovit činitel zvlnění pro kmitočet sítě 50Hz při známé zátěži a kapacitě filtračního kondenzátoru nebo stanovit velikost kondenzátoru při známé zátěži a požadovaném činiteli zvlnění φ_zv.

Vztah pro výpočet činitele zvlnění pro jednocestný usměrňovač s jedním filtračním kondenzátorem má tvar:

(R_Z je odpor zátěže)

a pro dvoucestný usměrňovač pak:

Pro napájení citlivějších obvodů je třeba napájecí napětí dále filtrovat. K tomu slouží vyhlazovací filtry dle obr. 3.

Pro určení činitele zvlnění φ_zv2   výstupního napětí u2 lze pro výše uvedený typ filtrů použít vztahy:

 

 

pro jednocestné usměrnění, respektive

pro usměrnění dvoucestné.

Zdroje

• AUTOR NEZNÁMÝ. Základní elektronické obvody [online]. [cit. 10.5.2015]. Dostupný na WWW: http://homen.vsb.cz/~sla10/Elektronika/Elektronika1.pdf
• BRINDL, Pavel. VY_32_inovace_03_ELE_3_ Elektronické obvody_04_ Filtry. Přerov, 2013.
• BRINDL, Pavel. VY_32_inovace_03_ELE_3_ Elektronické obvody_19_ Derivační a integrační člen, kmitočtové filtry pomocí OZ.

Obrázky

• Obr. 1: BRINDL, Pavel. RC dolní propust. Z archivu autora.
• Obr. 2: BRINDL, Pavel. LC dolní propust. Z archivu autora.
• Obr. 3: BRINDL, Pavel. Pasivní vyhlazovací filtry. Z archivu autora.
• Obr. 4: BRINDL, Pavel. Aktivní vyhlazovací filtr. Z archivu autora.