Ahoj! Ako dodávateľ LC filtra sa ma často pýtajú, ako navrhnúť dolnopriepustný LC filter. Tak som si povedal, že sa podelím o pár postrehov na túto tému.
Začnime od základov. Nízkofrekvenčný LC filter je typ elektronického obvodu, ktorý umožňuje prechod nízkofrekvenčných signálov a zároveň tlmí vysokofrekvenčné signály. Skladá sa z tlmivky (L) a kondenzátora (C) a kombinácia týchto dvoch komponentov jej dáva filtračné vlastnosti.
Pochopenie základov LC filtrov
Najprv musíme pochopiť, čo robia induktory a kondenzátory. Induktor uchováva energiu v magnetickom poli, keď ním prechádza prúd. Napätie na induktore je úmerné rýchlosti zmeny prúdu. Na druhej strane kondenzátor ukladá energiu v elektrickom poli. Prúd cez kondenzátor je úmerný rýchlosti zmeny napätia na ňom.
Keď spojíme tlmivku a kondenzátor do obvodu, môžeme vytvoriť frekvenčný - selektívny obvod. V nízkopriepustnom LC filtri je tlmivka zvyčajne umiestnená v sérii so vstupným signálom a kondenzátor je umiestnený paralelne k výstupu.
Krok 1: Určite medznú frekvenciu
Medzná frekvencia ($f_c$) je kľúčovým parametrom v dolnopriepustnom LC filtri. Je to frekvencia, pri ktorej filter začne tlmiť vstupný signál. Vzorec pre medznú frekvenciu jednoduchého dolnopriepustného LC filtra je daný:
$f_c=\frac{1}{2\pi\sqrt{LC}}$
kde $L$ je indukčnosť v henry (H) a $C$ je kapacita vo faradoch (F).
Povedzme, že chcete navrhnúť dolnopriepustný filter s medznou frekvenciou 1 kHz. Ak poznáte hodnotu druhého komponentu, môžete vzorec zmeniť na riešenie pre $L$ alebo $C$. Napríklad, ak si zvolíte hodnotu kondenzátora $C = 0,1\\mu F$, požadovanú indukčnosť nájdete takto:
Najprv utvorte druhú mocninu oboch strán vzorca: $f_c^2=\frac{1}{4\pi^2LC}$
Potom vyriešte $L$: $L=\frac{1}{4\pi^2f_c^2C}$
Do vzorca nahraďte $f_c = 1000\Hz$ a $C=0,1\times10^{- 6}\F$:
$L=\frac{1}{4\pi^2\times(1000)^2\times0.1\times10^{-6}}\približne 0,253\ H$
Krok 2: Výber komponentov
Keď určíte hraničnú frekvenciu a vypočítate požadované hodnoty $L$ a $C$, je čas vybrať skutočné komponenty. Pri výbere tlmivky je potrebné zvážiť jej hodnotu indukčnosti, toleranciu a prúdovú nosnosť. Induktory sa dodávajú v rôznych typoch, ako sú induktory so vzduchovým jadrom, železné jadro a feritové jadro. Každý typ má svoje výhody a nevýhody.
Napríklad vzduchové tlmivky majú nízke straty pri vysokých frekvenciách, ale majú relatívne nízku indukčnosť na jednotku objemu. Tlmivky so železným jadrom môžu poskytovať vysoké hodnoty indukčnosti, ale môžu mať vyššie straty v dôsledku vírivých prúdov. Feritové tlmivky sú dobrým kompromisom medzi týmito dvoma, ponúkajú relatívne vysokú indukčnosť a nižšie straty pri stredných frekvenciách.
Pri výbere kondenzátora by ste mali zvážiť jeho hodnotu kapacity, toleranciu, menovité napätie a ekvivalentný sériový odpor (ESR). Keramické kondenzátory sa bežne používajú v nízkopriepustných LC filtroch, pretože majú nízku ESR a dobrú stabilitu v širokom rozsahu frekvencií.
Krok 3: Analýza odozvy filtra
Po výbere komponentov je dôležité analyzovať frekvenčnú odozvu filtra. Na simuláciu filtračného obvodu a vykreslenie jeho frekvenčnej odozvy môžete použiť softvérové nástroje ako LTspice alebo MATLAB.
Frekvenčná odozva dolnopriepustného LC filtra typicky ukazuje ploché pásmo (kde signál prechádza s malým alebo žiadnym útlmom) až po medznú frekvenciu, po ktorej nasleduje oblasť roll-off, kde je signál zoslabený určitou rýchlosťou. Miera útlmu sa zvyčajne vyjadruje v decibeloch na oktávu (dB/oktávu) alebo v decibeloch za dekádu (dB/dekádu).
Jednoduchý dolnopriepustný LC filter prvého rádu má rýchlosť poklesu 20 dB/dekádu. Ak potrebujete strmšie rolovanie, môžete navrhnúť filter vyššieho rádu kaskádovaním viacerých LC sekcií. Napríklad dolnopriepustný LC filter druhého rádu má rýchlosť poklesu 40 dB/dekádu.
Krok 4: Zváženie praktických obmedzení
V aplikáciách v reálnom svete existuje niekoľko praktických obmedzení, ktoré musíte zvážiť. Napríklad neideálne charakteristiky komponentov môžu ovplyvniť výkon filtra. Induktory môžu mať parazitnú kapacitu a kondenzátory môžu mať ekvivalentnú sériovú indukčnosť (ESL). Tieto parazitné prvky môžu spôsobiť rezonanciu a iné nežiaduce účinky vo filtri.
Ďalším obmedzením je výkon komponentov. Ak má vstupný signál vysoký výkon, musíte zvoliť komponenty, ktoré zvládnu napájanie bez poškodenia.
Rôzne typy nízkopriepustných LC filtrov
Existujú rôzne topológie dolnopriepustných LC filtrov, ako sú filtre typu L, T a $\pi$.
- Filter typu L: Toto je najjednoduchší typ dolnopriepustného LC filtra. Pozostáva z tlmivky v sérii so vstupom a kondenzátora paralelne s výstupom. Je ľahké ho navrhnúť, ale nemusí poskytovať veľmi strmé rolovanie.
- Filter typu T: Filter typu AT má tlmivku v sérii so vstupom a dva kondenzátory paralelne, jeden na každej strane tlmivky. Poskytuje lepšie rolovanie ako filter typu L.
- $\pi$ - zadajte filter: Filter typu $\pi$ má dva kondenzátory paralelne so vstupom a výstupom a tlmivku v sérii medzi nimi. Ponúka strmšie odklonenie a lepší výkon z hľadiska útlmu.
Aplikácia nízkopriepustných LC filtrov
Nízkopriepustné LC filtre majú široké uplatnenie. Bežne sa používajú v audio systémoch na odstránenie vysokofrekvenčného šumu zo zvukového signálu. Používajú sa aj v napájacích zdrojoch na odfiltrovanie vysokofrekvenčného zvlnenia a šumu.
V komunikačných systémoch je možné použiť nízkopriepustné LC filtre na obmedzenie šírky pásma signálu. Napríklad v rádiovom prijímači možno použiť dolnopriepustný filter na odfiltrovanie vysokofrekvenčného rušenia a výber požadovaného nízkofrekvenčného signálu.
Súvisiace produkty
Ak máte záujem o iné typy filtrov, ponúkame tiežTrojfázový vstupný filter,Pasívny filter, aEMI filtre. Tieto filtre možno použiť v rôznych priemyselných a komerčných aplikáciách na zlepšenie výkonu a spoľahlivosti vašich elektrických a elektronických systémov.
Záver
Návrh dolnopriepustného LC filtra zahŕňa niekoľko krokov, od určenia medznej frekvencie až po výber vhodných komponentov a analýzu odozvy filtra. Pochopením základných princípov a zvážením praktických obmedzení môžete navrhnúť filter, ktorý bude spĺňať vaše špecifické požiadavky.
Ak hľadáte vysoko kvalitné LC filtre alebo potrebujete viac informácií o konštrukcii filtra, neváhajte nás kontaktovať kvôli obstaraniu a ďalšej diskusii. Sme tu, aby sme vám pomohli nájsť najlepšie riešenia pre vaše potreby.
Referencie
- Horowitz, P. a Hill, W. (1989). Umenie elektroniky. Cambridge University Press.
-Sedra, AS a Smith, KC (2015). Mikroelektronické obvody. Oxford University Press.