فیلتر پایین گذر

فیلتر پایین گذر مداری است که عبور آسان به سیگنال های فرکانس پایین و عبور دشوار به سیگنال های فرکانس بالا را ارائه می دهد. دو نوع مدار اصلی وجود دارد که قادر به انجام این هدف هستند، و انواع مختلفی از هر یک وجود دارد:

فیلتر پایین گذر القایی

فیلتر پایین گذر خازنی

• فیلتر پایین گذر القایی

امپدانس سلف با افزایش فرکانس افزایش می یابد. این امپدانس بالا در سری تمایل دارد سیگنال های فرکانس بالا را از رسیدن به بار جلوگیری کند.

• فیلتر پایین گذر خازنی

امپدانس خازن با افزایش فرکانس کاهش می یابد. این امپدانس کم به موازات مقاومت بار، سیگنال‌های فرکانس بالا را کوتاه می‌کند و بیشتر ولتاژ مقاومت سری را کاهش می‌دهد.

مقایسه فیلتر پایین گذر القایی و خازنی

فیلتر پایین گذر القایی اوج سادگی است و تنها یک جزء فیلتر را تشکیل می دهد. نسخه خازنی این فیلتر چندان پیچیده‌تر نیست و تنها به یک مقاومت و خازن برای کار کردن نیاز است.

با این حال، علیرغم افزایش پیچیدگی آنها، طراحی فیلترهای خازنی به طور کلی بر القایی ترجیح داده می شود زیرا خازن ها تمایل دارند اجزای واکنش پذیر “خالص” نسبت به سلف ها باشند و بنابراین در رفتار خود قابل پیش بینی تر هستند. مقصود از “خالص” این است که خازن ها اثرات مقاومتی کمی نسبت به سلف ها از خود نشان می دهند و آنها را تقریباً 100٪ واکنش پذیر می کند.

از سوی دیگر، سلف ها معمولاً اثرات اتلاف کنندگی (مقاوم مانند) قابل توجهی را نشان می دهند. همچنین در طول طولانی سیم مورد استفاده برای ساخت آنها و هم در تلفات مغناطیسی مواد هسته.

خازن‌ها همچنین تمایل کمتری نسبت به القاگرها در اثرات «کوپلینگ» با دیگر اجزا دارند (تداخل از اجزای دیگر از طریق میدان‌های الکتریکی یا مغناطیسی متقابل ایجاد می‌کنند و/یا تداخل دریافت می‌کنند) و هزینه کمتری دارند. فیلتر پایین گذر القایی اغلب در منابع تغذیه AC-DC ترجیح داده می شود. در نتیجه شکل موج “ریپل” AC را که هنگام تبدیل AC به DC (تصحیح) به DC ایجاد می شود، فیلتر کند و فقط جزء DC خالص را عبور دهد.

دلیل اصلی این امر نیاز به مقاومت فیلتر پایین برای خروجی چنین منبع تغذیه ای است. یک فیلتر پایین گذر خازنی به مقاومت اضافی به صورت سری با منبع نیاز دارد، در حالی که فیلتر پایین گذر القایی اینگونه نیست.

در طراحی مدارهای با جریان بالا مانند منبع تغذیه DC که در آن مقاومت سری اضافی نامطلوب است. البته فیلتر پایین گذر القایی انتخاب طراحی بهتری است.

استفاده از فیلتر پایین گذر

یکی از کاربردهای مکرر اصل فیلتر پایین گذر خازنی در طراحی مدارهایی است که دارای قطعات یا بخش های حساس به “نویز” الکتریکی هستند. همانطور که در ابتدای فصل گذشته ذکر شد، گاهی اوقات سیگنال های AC می توانند از طریق ظرفیت (C-stray) و/یا اندوکتانس متقابل (M-stray) بین دو مجموعه رسانا، از یک مدار به مدار دیگر “زوج” شوند.

اسیلوسکوپ متر در سمت چپ قدرت “تمیز” منبع ولتاژ DC را نشان می دهد. پس از اتصال با منبع نویز AC از طریق اندوکتانس متقابل و خازن سرگردان، ولتاژ در پایانه های بار اکنون ترکیبی از AC و DC است.

به طور معمول، انتظار می رود E-load دقیقاً مشابه E-source باشد، زیرا هادی های بدون وقفه که آنها را به هم متصل می کنند. البته باید این دو مجموعه از نقاط را از نظر الکتریکی مشترک کنند. با این حال، امپدانس هادی قدرت اجازه می دهد تا دو ولتاژ متفاوت باشند، به این معنی که میزان نویز می تواند در نقاط مختلف سیستم DC متفاوت باشد.

اگر می‌خواهیم از رسیدن چنین «نویز» به بار DC جلوگیری کنیم، تنها کاری که باید انجام دهیم این است که یک فیلتر پایین‌گذر را در نزدیکی بار وصل کنیم تا سیگنال‌های جفت شده را مسدود کند.

ساده‌ترین شکل آن، این چیزی نیست جز یک خازن که مستقیماً به پایانه‌های برق بار متصل می‌شود، خازن مانند یک امپدانس بسیار کم در برابر هر نویز AC عمل می‌کند و آن را کوتاه می‌کند.

اندازه خازن معمولاً 0.1 µF یا بیشتر است، حداقل مقدار ظرفیتی که برای تولید امپدانس کافی برای کوتاه کردن هر نویز لازم است. ظرفیت خازنی بیشتر در فیلتر کردن نویز کار بهتری انجام می دهد، اما اندازه و اقتصاد، جداسازی خازن ها را به مقادیر ناچیز محدود می کند.

نتیجه

فیلتر پایین گذر امکان عبور آسان سیگنال های فرکانس پایین از منبع به بار و عبور دشوار سیگنال های فرکانس بالا را فراهم می کند.

فیلترهای کم گذر القایی یک سلف را به صورت سری با بار وارد می کنند. فیلترهای پایین گذر خازنی یک مقاومت را به صورت سری و یک خازن را به موازات بار وارد می کنند. طراحی فیلتر اول سعی می کند سیگنال فرکانس ناخواسته را مسدود کند در حالی که دومی سعی می کند آن را کوتاه کند.

فرکانس قطع برای فیلتر پایین گذر فرکانسی است که در آن ولتاژ خروجی (بار) برابر با 70.7 درصد ولتاژ ورودی (منبع) است. بالای فرکانس قطع، ولتاژ خروجی کمتر از 70.7 درصد ورودی است و بالعکس.