A hoogdoorlaatfilter is een elektronisch filter dat signalen met een hogere frequentie dan een bepaalde grensfrequentie doorlaat en signalen verzwakt met lagere frequenties dan die grensfrequentie. Dit filter is omgekeerd aan het laagdoorlaatfilter en wordt ook wel HPF, bass-cut filter of low-cut filter genoemd. De combinatie van laagdoorlaatfilter en het hoogdoorlaatfilter staat bekend als banddoorlaatfilter, dat alleen frequenties in een specifiek bereik toestaat. Er zijn verschillende soorten hoogdoorlaatfilters, gebaseerd op het ontwerp van het circuit, evenals componenten die worden gebruikt om een filter te ontwerpen, zoals; actief hoogdoorlaatfilter, passieve HPF, RC HPF, eerste orde HPF, tweede orde HPF, Boterwaard , Chebyshev en Bessel hoogdoorlaatfilters. In dit artikel wordt kort een passief hoogdoorlaatfilter uitgelegd, het circuit, de werking, de typen en de toepassingen ervan.
Wat is een passief hoogdoorlaatfilter?
Een type elektronisch filter dat wordt gebruikt om alleen hoogfrequente signalen door te laten en laagfrequente signalen te blokkeren, staat bekend als een passief hoogdoorlaatfilter. Dit filter wordt ook wel een passief filter genoemd, omdat het geen externe stroombron nodig heeft om te kunnen werken en bovendien uitsluitend afhankelijk is van de binnenkomende signaalenergie.
Dit filter is ontworpen met passieve componenten zoals; weerstanden, inductoren en condensatoren. Deze componentwaarden bepalen eenvoudigweg de afsnijfrequentie van het filter, waarbij deze frequentie onder de signalen ligt die worden geblokkeerd of verzwakt.
Passief hoogdoorlaatfiltercircuit
Hieronder wordt het passieve hoogdoorlaatfilterontwerpcircuit weergegeven, dat gebruik maakt van een weerstand en een condensator. Dit circuit is vergelijkbaar met de passieve LPF, maar de weerstand en condensator worden eenvoudigweg binnen het circuit verwisseld. De condensator in een passief hoogdoorlaatfiltercircuit wordt eenvoudigweg in serie geschakeld door de weerstand. Als er een ingangssignaal wordt geleverd aan de seriecombinatie van een niet-gepolariseerde condensator en weerstand, is de gefilterde uitgang over het algemeen beschikbaar of wordt deze over de weerstand getrokken.
Dit filter laat eenvoudig de hogere frequenties toe en blokkeert de signalen met een lagere frequentie. De grensfrequentiewaarde hangt voornamelijk af van de waarden van de componenten die zijn geselecteerd voor het ontwerp van de schakeling. Deze filters hebben verschillende toepassingen bij een hoogfrequent bereik van 10 MHz. Omdat de componenten binnen dit circuit uitwisselen, zullen de reacties van de geleverde condensator veranderen, die precies tegengesteld zijn aan de respons van het laagdoorlaatfilter.
De condensator in dit circuit gedraagt zich bij de lage frequenties als een open circuit en bij hogere frequenties; het werkt als een kortsluiting. In dit circuit blokkeert de condensator de lagere frequenties die de condensator binnenkomen vanwege de capacitieve reactantie van de condensator.
De condensator verzet zich tegen een bepaalde hoeveelheid stroom in dit circuit om zich te binden in het capaciteitsbereik van de condensator. Dus de condensator na de afsnijfrequentie laat alle frequenties toe vanwege de capacitieve reactantiereductiewaarde. Dit zorgt er dus voor dat dit filtercircuit het hele ingangssignaal naar de uitgang doorgeeft wanneer de frequentie van het ingangssignaal hoger is in vergelijking met de afsnijfrequentie 'fc'.
De waarde van de reactantie neemt toe bij lagere frequenties, waarna het vermogen om weerstand te bieden aan de stroom door de condensator wordt vergroot. De frequentieband onder de grensfrequentie wordt ‘stopband’ genoemd en de frequentieband na de grensfrequentie wordt de ‘doorlaatband’ genoemd.
Afgesneden frequentie
De formule voor de afsnijfrequentie voor het passieve hoogdoorlaatfilter wordt hieronder weergegeven. Deze formule is vergelijkbaar met het laagdoorlaatfilter.
Fc = 1 / 2πRC
Waar ‘R’ is weerstand & ‘C’ is capaciteit.
Fasehoek van passief hoogdoorlaatfilter
De fasehoek van passieve HPF wordt aangegeven met φ (Phi), wat +45 zal zijn aan de uitgang vanaf het i/p-signaal bij -3dB (of) grensfrequentie.
Volgens de frequentierespons van het filter worden alle signalen via de grensfrequentie tot in het oneindige doorgegeven. De faseverschuivingsformule is niet vergelijkbaar met een laagdoorlaatfilter, omdat in dit filter de fase negatief wordt, hoewel het bij HPF een positieve faseverschuiving is, dus de fasehoekformule is;
Faseverschuiving (φ) = arctan (1/2πfRC)
Tijdconstante
De condensator in het circuit krijgt een laad- en ontlaadeffect van de frequenties van het ingangssignaal. Dit staat bekend als de tijdconstante, die wordt aangegeven met τ (Tau). De tijdconstante houdt ook verband met de afsnijfrequentie.
τ = RC = 1 / 2πfc
Soms moeten we, wanneer we de waarde van de tijdconstante hebben, de grensfrequentie kennen, dus door de formule te veranderen kunnen we de onderstaande vergelijking krijgen.
fc = 1 / 2πRC
We weten dat τ = RC
De bovenstaande vergelijking wordt dus fc = 1 / 2πτ.
Voorbeeld
Het actieve hoogdoorlaatfiltercircuit met een weerstand van 330k en een condensator van 100pF wordt hieronder weergegeven. Bereken de afsnijfrequentie.
De formule om de grensfrequentie te berekenen wordt hieronder weergegeven.
Afsnijfrequentie fc = 1/2πfC
We weten dat weerstand 330k en condensator 100pF waarden zijn, vervang deze waarden in de bovenstaande vergelijking.
Afsnijfrequentie fc = 1/2 x 3,14 x 330.000 x 100 x 10^-12.
fc = 4825 Hz (of) 4,825 kHz.
Passieve hoogdoorlaatfilteroverdrachtsfunctie
De overdrachtsfunctie verklaart de belangrijkste relatie tussen de ingangs- en uitgangssignalen van het passieve hoogdoorlaatfilter. Daarom wordt de overdrachtsfunctie van passieve HPF-berekening hieronder besproken.
Vin = IZ
Vin = I (R + 1/jωC)
Vo = IS
Vr/ Vr
IR/ I (R + 1/jωC)
Vo/ Vin = RjωC / RjωC + 1)
Neem RC = 1/ωC
Vo/ Vi = j(ω/ωC)/ j(ω/ωC) + 1
Vo/ Vin = j(ω/ωC)/√ j(ω/ωC)^ 2 + 1
De bovenstaande vergelijking is een passieve hoogdoorlaatfilteroverdrachtsfunctie. De spanningsversterking bij elke ‘ω’-waarde van een filter kan dus worden gemeten met de bovenstaande vergelijking.
Soorten passieve hoogdoorlaatfilters
Er zijn twee soorten passieve hoogdoorlaatfilters; passieve HPF van de eerste orde en passieve HPF van de tweede orde, die hieronder worden besproken.
Passieve HPF van de eerste orde
Het passieve hoogdoorlaatfiltercircuit van de eerste orde wordt hieronder weergegeven. Dit circuit kan worden ontworpen met slechts één reactieve component met een weerstand. Deze filterschakeling blokkeert laagfrequente signalen, maar laat de hoogfrequente signalen boven de ingestelde waarde door. Dit circuit maakt gebruik van passieve componenten en heeft geen externe stroombron nodig. Telkens wanneer een ingangssignaal wordt geleverd aan deze seriecombinatie van condensator en weerstand, wordt de gefilterde uitvoer over de weerstand verkregen.
De grensfrequentieformule voor passieve HPS van de eerste orde is hetzelfde als het passieve laagdoorlaatfilter dat hieronder wordt weergegeven.
fc = 1 / 2πRC
Passieve HPF van de tweede orde
Het passieve hoogdoorlaatfiltercircuit van de tweede orde wordt hieronder weergegeven. Dit filtercircuit is ontworpen door twee HPF's van de eerste orde in cascade te plaatsen. Dit circuit maakt gebruik van twee reactieve componenten twee condensatoren en twee weerstanden die het filtercircuit van de tweede orde maken. Deze tweetrapsfilterprestaties zijn dus gelijkwaardig aan die van een eentrapsfilter, hoewel de helling van dit filter kan worden verkregen bij -40 dB/decennium vanwege de variatie binnen de afsnijfrequentie.
Dit filter is zeer efficiënt in vergelijking met een eentrapsfilter omdat het twee opslagpunten bevat. De afsnijfrequentie voor een tweetrapsfilter hangt dus voornamelijk af van de twee condensatoren en twee weerstanden waarden die worden gegeven als;
fc = 1/ (2π√(R1*C1*R2*C2)) Hz
Toepassingen
De toepassingen van passieve hoogdoorlaatfilters omvatten het volgende.
- Een passief hoogdoorlaatfilter is een filter dat lage frequenties blokkeert, maar de hoge frequentie boven de vooraf bepaalde waarde doorlaat.
- Passieve hoogdoorlaatfilters worden gebruikt in equalizers en audio-ontvangers.
- Deze worden gebruikt in muziekbesturingssystemen en frequentie modulatie .
- Deze worden gebruikt in functiegeneratoren, pulsgeneratoren, ramp-to-step generatoren, CRO's, CRT's, enz.
- Deze filters worden normaal gesproken gebruikt bij audioverwerking voor het verwijderen van laagfrequente ruis in audioversterkers waar maximale frequenties vereist zijn.
- Deze filters worden vaak gebruikt in HPF's om de randen en andere hogerfrequente componenten in digitale beelden te verbeteren.
- Deze worden gebruikt in verschillende industriële en ook wetenschappelijke toepassingen zoals; seismische analyse en radarsystemen en binnen het biomedische veld om ECG's te begrijpen.
- Dit soort filters zijn cruciale hulpmiddelen binnen de elektronica en signaalverwerking om hoogfrequente signalen laagfrequente signalen toe te laten en te blokkeren.
Dit is dus een overzicht van een passief hoogdoorlaatfilter, circuits, werkend , typen en de toepassingen ervan. Een filtercircuit is ontworpen met alleen passieve componenten zoals; weerstand en condensator. Deze filters hebben geen externe bron nodig en hebben dus geen versterking, wat betekent dat de amplitude van het uitgangssignaal altijd gelijk is aan of lager is dan de amplitude van het ingangssignaal. Deze filterontwerpen zijn uiterst eenvoudig en de componenten die worden gebruikt om deze filters te maken zijn ook erg goedkoop. Hier is een vraag voor u: wat is een passief laagdoorlaatfilter?
