Was macht ein elektronischer Filter?

Elektronische Filter sind Geräte zur Signalverarbeitung und -filterung in Form eines elektrischen Schaltkreises. Dieser Schaltkreis verwendet Komponenten und verbindet sie zu bestimmten Zwecken in bestimmten Konfigurationen. Nachdem sie miteinander verbunden sind, werden sie als einzelnes Gerät betrachtet und können analysiert werden.

Ein Filter Schaltkreis ist ein sehr hilfreicher Wechselstrom Schaltkreis, wenn wir einen Frequenzbereich, der in unserem elektrischen Schaltkreis gemischt ist, sorgfältig und selektiv filtern möchten. Ein Schaltkreis, der einen Frequenzbereich basierend auf unserer Auswahl filtern kann, wird als Filter Schaltkreis bezeichnet.

Wir sind sehr auf den Filter Schaltkreis angewiesen, wenn wir ein Audiosystem entwerfen, bei dem Rauschen unsere Audioausgabe stören kann. Ein bestimmter Frequenzbereich muss aus unserem Schaltkreis entfernt werden, um die gewünschte Klangqualität und einen besseren Stromverbrauch zu erzielen.

Ein sehr häufiges Beispiel für Filter Schaltkreise in Audiosystemen ist ein Equalizer. Dieses Gerät kann uns helfen, einen bestimmten Frequenzbereich zu verstärken, um ihn an das Ohr unseres Publikums anzupassen.

Andere Beispiele neben einem Equalizer sind Hochtöner, Frequenzweichen, aktive und passive Filter.

Hochtöner (ein Hochfrequenzlautsprecher) eignen sich hervorragend zur Erzeugung hochfrequenter Signale. Wir können dies jedoch nicht direkt zur Erzeugung hoher Frequenzen verwenden. Während es hervorragend zur Erzeugung hochfrequenter Töne geeignet ist, ist es schrecklich bei der Erzeugung niederfrequenter Signale. Aus diesem Grund verwenden wir ein Crossover-Netzwerk zwischen einem Hochtöner und dem Ausgangsanschluss des Lautsprechers.

Mit dieser Konfiguration kann unsere Schaltung niederfrequente Signale blockieren und nur hochfrequente Signale durchlassen.

Ein Crossover-Netzwerk kann einen bestimmten Frequenzbereich blockieren, sodass er nicht an den Ausgang durchgelassen wird. Damit können wir ein Audiosystem mit guter Effizienz und gleichzeitig guter Leistung bauen.

Wir werden in dieser Lektion kurz lernen, was ein elektronischer Filter ist. Es gibt hier mehrere detaillierte Lektionen, die Sie separat lernen können, da es ziemlich lange dauern wird, bis wir diese Schaltungselemente vollständig verstehen.

Elektronische Filter können entweder aus digitalen oder analogen Schaltkreisen aufgebaut sein.

Was ist ein elektronischer Filter?

Wie bereits erwähnt, ist ein elektronischer Filter eine Art Schaltkreis, der einen bestimmten Frequenzbereich blockieren und/oder bestimmte Frequenzbereiche durchlassen kann. Er kann nicht nur blockieren und durchlassen, sondern auch den durchgelaufenen Frequenzbereich verstärken.

Dieser Schaltungsart ist sehr hilfreich für:

• Gleichstromversorgungen: Ein elektronischer Filter kann bestimmte Frequenzbereiche (hauptsächlich hohe Frequenzen, die als Rauschen betrachtet werden) blockieren (oder eliminieren) und als Schaltung zur Reduzierung von Welligkeit fungieren. Wenn Sie eine Gleichstromversorgung aus einem Wechselstrom-Eingang bauen, sollten Sie die Verwendung eines Filters in Betracht ziehen, um Ihren Ausgang zu glätten.
• Audiosystem: Ein Crossover-Netzwerk wird verwendet, um einen bestimmten Frequenzbereich selektiv an die entsprechenden Audiogeräte weiterzuleiten. Zum Beispiel wird die niedrige Frequenz an den Tieftöner, die mittlere Frequenz an den Lautsprecher und die hohe Frequenz an den Hochtöner weitergeleitet.
• Kommunikationssystem: Ein Kommunikationssystem wie ein Radio kann dank der elektronischen Filterschaltung eine bestimmte Frequenz empfangen. Die gewünschte Frequenz wird erfasst, während unerwünschte Frequenzen abgelehnt werden.
• Analog-Digital-Umsetzer (ADC): Ein elektronischer Filter ist eine große Hilfe für Analog-Digital-Umsetzer, um Rauschen und Störungen vom Signaleingang zu entfernen und die Schaltung zu schützen.

Arten von elektrischen Filtern

Es gibt vier Haupttypen von Elektrofiltern:

• Tiefpassfilter
• Hochpassfilter
• Bandpassfilter
• Bandsperrfilter

Der einfachste elektronische Filter ist ein Filter-RC-Schaltkreis. Ein Filter-RC-Schaltkreis kann als Tiefpassfilter oder Hochpassfilter fungieren.

Die Begriffe „niedrige“ und „hohe“ Frequenzen haben vor dem Entwurf eines Schaltkreises keine bestimmten Werte. Der tatsächliche Wert von „niedrigen“ und „hohen“ Frequenzen wird durch unsere Anleitung zum Entwurf eines Filters Schaltkreises bestimmt. Mit vielen Schaltkreis Elementen und ihren Werten können wir steuern, ob die gewünschte und unerwünschte Frequenz durchgelassen oder blockiert wird.

Unsere einzige Aufgabe beim Entwurf eines elektrischen Filters besteht darin, zuerst die Grenzfrequenz zu bestimmen und dann mit dem Schaltkreisentwurf und der Schaltkreis Analyse fortzufahren, um sicherzustellen, dass alles auf dem richtigen Weg ist.

Genau wie bei Schaltkreis Elementen, wo Sie aktive und passive Elemente finden können, gibt es auch bei elektronischen Filtern aktive und passive Filter.

Lassen Sie uns kurz vier Haupttypen elektronischer Filter kennenlernen. Wir haben die ausführliche Erklärung in anderen Lektionen bereitgestellt.

Tiefpassfilter

Ein Tiefpassfilter ist ein elektronischer Filter, der Frequenzen oberhalb der Grenzfrequenz blockiert. Dieser Filter lässt alle Signale durch, die unterhalb der Grenzfrequenz liegen. Mit dieser Schaltung können wir sicherstellen, dass hochfrequentes Rauschen eliminiert wird.

Hochpassfilter

Im Gegensatz zum Tiefpassfilter ist ein Hochpassfilter ein elektronischer Filter, der niedrigere Frequenzen als die Grenzfrequenz eliminiert und höhere Frequenzen zulässt. Er wird häufig verwendet, um sicherzustellen, dass der unerwünschte Gleichspannungsoffset, der durch niederfrequente Komponenten verursacht wird, den Ausgang nicht stört.

Bandpassfilter

Ein Bandpassfilter lässt, wie der Name schon sagt, einen bestimmten Frequenzbereich passieren, während er den anderen blockiert. Diese elektronische Schaltung hat zwei Grenzfrequenzen, eine für den unteren und eine für den oberen Bereich.

Bandsperrfilter

Im Gegensatz zum Bandpassfilter ist ein Bandsperrfilter oder Notchfilter ein elektrischer Filter, der einen bestimmten Frequenzbereich blockiert und den Rest durchlässt. Wie der Bandpassfilter hat auch dieser Filter zwei Grenzfrequenzen im unteren und oberen Bereich.

Unterschiede zwischen Aktivfilter und Passivfilter

Wie der Name schon sagt, ist ein aktiver Filter im Grunde ein Filter, der aus aktiven Komponenten wie einem Operationsverstärker und passiven Komponenten wie Widerständen und Kondensatoren besteht, damit er richtig funktioniert.

Ein passiver Filter hingegen besteht ausschließlich aus passiven Komponenten wie Widerständen, Induktoren und Kondensatoren. Ein passiver Filter ist sehr schwierig herzustellen, da wir die Werte von Widerständen, Induktoren und Kondensatoren berechnen müssen, damit er die Frequenz gut filtert.

Ein passiver Filter wird es schwer haben, sehr niedrige Frequenzen zu filtern, da wir eine große Induktivität und Kapazität benötigen, da er bei der unteren Endfrequenz Einschränkungen hat. Die sehr breite hohe Frequenz wird durch die parasitären Induktivitäten und Kapazitäten verursacht.

Deshalb müssen wir beim Entwurf eines passiven Filters vorsichtig sein.

Ein aktiver Filter ist im Vergleich zum passiven Filter nicht allzu schwierig, da er aktive Komponenten wie einen Operationsverstärker zusammen mit Widerständen und Kondensatoren verwendet. Dieser Filtertyp ist im Gegensatz zu passiven Filtern sehr gut in der Lage, niedrige Frequenzen (nahe 0 Hz) zu verarbeiten.

Darüber hinaus ist es durch die Verwendung von Operationsverstärkern in der Lage, beispielsweise die Spannungsverstärkung zu verstärken. Dieser Filter ist sehr vielseitig für hochgradige Filter einsetzbar, aber weniger effizient bei der Verarbeitung von Frequenzen im sehr hohen Bereich, da jeder Operationsverstärker seine eigenen Einschränkungen hat und sein Operationsverstärker eine Bandbreitenbeschränkung hat.

So entwerfen Sie eine Filterschaltung

Nachdem wir die Arten elektronischer Filter und ihre Komponenten kennengelernt haben, sollten wir als Nächstes lernen, wie man einen Filter Schaltkreis entwirft. Wie oben erwähnt, besteht der erste Schritt beim Entwerfen eines elektrischen Filter Schaltkreises darin, die in unserem Entwurf verwendeten Komponentenwerte zu berechnen.

Wir müssen die Widerstände, Induktoren, Kondensatoren, Operationsverstärker Konfiguration, gewünschte Grenzfrequenz, Bandbreite und die Reihenfolge unseres Filters berechnen.

Um es viel einfacher zu machen, können wir als Nächstes eine elektrische Schaltkreissimulation verwenden, um die geschätzte Ausgabe ohne Kosten für die Testphase zu generieren. Mit dieser Simulation können wir unseren ursprünglichen Entwurf leicht optimieren, um ihn unseren Wünschen anzupassen.

Der dritte Schritt besteht darin, den praktischen Wert in unseren Entwurf einzubringen, beispielsweise die Toleranz unserer Komponenten, die Datenblätter, die Verfügbarkeit auf dem Markt, die Kosten und vieles mehr.

Der letzte Schritt, der eine fortgeschrittenere Analyse erfordert, besteht darin, unsere Filterreihenfolge zu bestimmen.

Eigenschaften des elektrischen Filters

• Eliminierung: Elektrische Filter haben die Eigenschaft der Eliminierung. Sie eliminieren nicht einfach die unerwünschte Frequenz aus dem Schaltkreis. Genauer gesagt verringern sie die Amplitude der unerwünschten Frequenzen.
• Phasenschieber: Trotz ihrer starken Eigenschaft bringen elektronische Filter auch einige Probleme mit sich. Da sie mithilfe eines Kondensators (und einer Spule, wenn es sich um einen passiven Filter handelt) gebaut werden, bewirken sowohl der Kondensator als auch die Spule eine Phasenverschiebung des Ausgangs. Wir müssen bei der Verwendung von Filtern vorsichtig sein, wenn unser Schaltkreis empfindlich auf Phasenverschiebung reagiert.

Häufig gestellte Fragen