Электроника:Переменный ток/Фильтры/Высокочастотные фильтры

Материал из Онлайн справочника
Перейти к навигацииПерейти к поиску

Перевод: Макаров В. (valemak) Контакты:</br>* Habr: @vakemak</br>* Сайт: www.valemak.com</br>Перевёл статей: 656.
Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.


Высокочастотные фильтры[1]

Задача фильтра верхних частот (высокочастотного фильтра или ФВЧ) прямо противоположна фильтру нижних частот: обеспечить лёгкое прохождение высокочастотного сигнала и затруднение прохода низкочастотного сигнала. Как и следовало ожидать, индуктивная и ёмкостная версии фильтра верхних частот прямо противоположны соответствующим конструкциям ФНЧ:

Рис. 1. Ёмкостной фильтр верхних частот.

Импеданс конденсатора

Импеданс конденсатора увеличивается с уменьшением частоты. Этот высокий последовательный импеданс в основном блокирует попадание низкочастотных сигналов на нагрузку.

capacitive highpass filter
v1 1 0 ac 1 sin
c1 1 2 0.5u
rload 2 0 1k
.ac lin 20 1 200
.plot ac v(2)
.end
Рис. 2. С увеличением частоты отклик ёмкостного фильтра верхних частот увеличивается.
Рис. 3. Индуктивный фильтр верхних частот.

Импеданс индуктивного элемента

Импеданс катушки индуктивности уменьшается с уменьшением частоты. Этот низкий импеданс при параллельном подключении в основном закорачивает низкочастотные сигналы, попадающие на нагрузочный резистор. В результате чего бо́льшая часть напряжения падает на последовательном резисторе R1.

inductive highpass filter
v1 1 0 ac 1 sin
r1 1 2 200
l1 2 0 100m
rload 2 0 1k
.ac lin 20 1 200
.plot ac v(2)
.end

Рис. 4. С увеличением частоты отклик индуктивного фильтра верхних частот увеличивается.

На этот раз ёмкостная конструкция проще, помимо нагрузки требуется только один компонент. И, опять же, из-за реактивной чистоты конденсаторов по сравнению с катушками индуктивности, их чаще используют в конструкции фильтров, особенно это касается ФВЧ, поскольку высокие частоты приводят к тому, что катушки индуктивности ведут себя непредсказуемо из-за скин-эффекта и электромагнитных потерь в сердечнике.

Частота среза

Как и фильтры нижних частот, фильтры верхних частот имеют номинальную частоту среза, при превышении которой выходное напряжение увеличивается более 70,7% от входного напряжения. Как и в случае с ёмкостным фильтром нижних частот, частота среза ёмкостного фильтра верхних частот может быть найдена по той же формуле:

Рис. 5. Частота среза для простого ёмкостного фильтра высоких частот.

В приведенной в качестве примера схеме нет другого сопротивления, кроме нагрузочного резистора, именно его значение R в формуле и используется.

Применение фильтра высоких частот

Используя стереосистему в качестве практического примера, конденсатор, подключённый последовательно с высокочастотным динамиком, будет служить фильтром верхних частот, придавая высокий импеданс низкочастотным басовым сигналам, тем самым предотвращая неэффективный расход энергии на динамиках при воспроизведения таких звуков. Точно так же индуктивный элемент, подключённый последовательно с низкочастотным динамиком, служит фильтром нижних частот, так как низкие частоты и предназначены для воспроизведения на данном динамике.

В этой простейшей примерной схеме на среднечастотный динамик воздействует весь спектр частот со входящего стереозвука. Иногда в стереосистемах используются более сложные сети фильтров, но эта иллюстрация даёт самое общее представление, как это работает.

Также имейте в виду, что на этом примере показан только один канал (либо левый, либо правый) этой стереосистемы. В правильной стереосистеме будет шесть динамиков: 2 низкочастотных динамика, 2 среднечастотных динамика и 2 высокочастотных динамика.

Рис. 6. Фильтр высоких частот направляет высокие частоты к высокочастотному динамику, фильтр нижних частот направляет низкие частоты к низкочастотному динамику.

Для наилучшей производительности желательна такая схема фильтра, где отдельно в среднечастотный динамик передавались бы частоты, которые находятся между низкими (басы) и высокими (дисканты) частотами. При этом должны блокироваться остальные низкочастотные и высокочастотные сигналы, чтобы исключить их звучание в среднем динамике, для них неприспособленном.

В следующем разделе такие схемы мы тоже разберём, это так называемые полосовые фильтры.

Итог

  • Фильтр высоких частот легко пропускает высокочастотные сигналы от источника к нагрузке и затрудняет прохождение низкочастотных сигналов.
  • Ёмкостные фильтры верхних частот включают конденсатор последовательно с нагрузкой; в индуктивных фильтрах верхних частот резистор включён последовательно нагрузке, а катушка индуктивности – параллельно. Первая (ёмкостная) конструкция фильтра пытается «заблокировать» нежелательный частотный сигнал, а вторая (индуктивная) пытается его сократить.
  • Частота среза фильтра верхних частот – это частота, при которой выходное (нагрузочное) напряжение равно 70,7% от входного (исходного) напряжения. Если фактическая частота будет больше частоты среза, то выходное напряжение превысит 70,7% от входного, и наоборот.

См.также

Внешние ссылки