Frekvenčné  selektory

    Frekvenčné selektory sú obvody, ktorých úlohou je vybrať žiadaný signál ( súbor signálov ) zo zmesi signálov na základe jeho frekvenčných vlastností a tento signál ( súbor signálov ) prepustiť na výstup selektora s minimálnym útlmom a  ostatné signály, ktoré nespĺňajú požadované frekvenčné vlastnosti zadržať s maximálnym požadovaným útlmom . V technickej praxi sa namiesto označenia “frekvenčný selektor” používa častejšie označenie “frekvenčný filter”. Keďže u týchto obvodov hovoríme o prenose zo vstupu na výstup, radíme ich medzi štvorpóly, teda dvojbrány ( je prirodzené, že môžu existovať aj viacbrány, napr. zlučovače alebo rozbočovače v televíznej technike.)

    Idealizovaný priebeh amplitúdovo-frekvenčnej charakteristiky filtra je na obrázku vpravo. Je prirodzené, že takýto tvar prenosovej charakteristiky filtra nie je možné dosiahnuť bežnými zapojeniami filtrov. Problém je v tom, že pri hraničných frekvenciách fmin a  fmax dochádza k zmene prenosových vlastností filtra skokom, čo v analógovej technike nie je možné realizovať. V analógovej technike sa všetky zmeny v čase dejú plynulo a  k  idealizovanému priebehu sa vieme iba priblížiť. Takýto priebeh je možné dosiahnuť len v digitálnej technike pomocou tzv. číslicových filtrov. Idealizovaná AF charakteristika

    Podľa toho, aké frekvenčné spektrum signálov a s akým útlmom sa toto spektrum prenáša na výstup filtra rozlišujeme štyri základné typy frekvenčných filtrov. Sú to :

  1. filter typu dolný priepust [ DP ], ktorý prepúšťa signály od najnižších frekvencií až po určitú maximálnu frekvenciu fmax s minimálnym útlmom a všetky ostatné signály s frekvenciami vyššími ako fmax prenáša s požadovaným útlmom. V technickej praxi sa často skrátene označuje ako dolnopriepustný filter.
  2. filter typu horný priepust [ HP ], ktorý prepúšťa signály od určitej minimálnej frekvencie fmin až po teoreticky nekonečnú frekvenciu s minimálnym útlmom a všetky ostatné signály s frekvenciami nižšími ako fmin prenáša s požadovaným útlmom. V technickej praxi sa často skrátene označuje ako hornopriepustný filter
  3. filter typu pásmový priepust [ PP ], ktorý prepúšťa signály od určitej minimálnej frekvencie fmin až po určitú maximálnu frekvenciu fmax s minimálnym útlmom a všetky ostatné signály s frekvenciami nižšími ako fmin a vyššími ako fmax prenáša s požadovaným útlmom. V technickej praxi sa často skrátene označuje ako pásmový filter
  4. filter typu pásmová zádrž [ PZ ], ktorý prepúšťa signály od určitej minimálnej frekvencie fmin až po určitú maximálnu frekvenciu fmax s  požadovaným útlmom a všetky ostatné signály s frekvenciami nižšími ako fmin a vyššími ako fmax prenáša s minimálnym útlmom. V technickej praxi sa často skrátene označuje ako pásmová zádrž.
Na obrázkoch nižšie máme zobrazené prenosové amplitúdovo-frekvenčné charakteristiky jednotlivých typov filtrov.

Prenosové amplitúdovo-frekvenčné charakteristiky jednotlivých typov filtrov

    Všetky typy týchto filtrov sú realizované zo známych základných súčiastok a to – rezistorov, kondenzátorov a cievok. V druhom ročníku v predmete “Elektronika” sme sa v téme “Lineárne komplexné dvojbrány” zoznámili s vlastnosťami jednotlivých typov filtrov a to :

– Integračného článku, čo je filter typu dolný priepust

Derivačného článku, čo je filter typu horný priepust

– Wienovho článku, čo je filter typu pásmový priepust. Sem patria aj viazané rezonančné obvody.

– Premosteného T–článku, čo je filter typu pásmová zádrž.

Pasívne filtre RC

    Keďže tieto filtre sú realizované zo základných pasívnych obvodových súčiastok, zaraďujeme ich medzi pasívne filtre. Ich prenos je maximálne rovný 1. Okrem takto realizovaných pasívnych filtrov existuje nespočetné množstvo aktívnych filtrov. Tieto obsahujú okrem pasívnych, frekvenčne závislých prvkov aj aktívne súčiastky ( tranzistory, elektrónky, operačné zosilňovače ), ktoré zabezpečujú zosilnenie prenášaného signálu, teda ich prenos môže byť aj väčší ako 1.

    Veľkou výhodou aktívnych filtrov oproti pasívnym je to, že v týchto filtroch nie je potrebné používať cievky ( najme na nízkych frekvenciách majú veľké rozmery a nízku kvalitu.) V aktívnych filtroch stačí výlučne používať pasívne články typu RC, zapojené do vetvy zápornej alebo kladnej spätnej väzby aktívneho obvodu. Práve použitie operačných zosilňovačov ako aktívneho obvodu uľahčilo použitie rôznych spätných väzieb. Aktívne filtre v porovnaní s pasívnymi filtrami majú viacero predností, napr. dobrú frekvenčnú a amplitúdovú stabilitu, jednoduchú nastaviteľnosť amplitúdovo-frekvenčných prenosových vlastností, ľahkú preladiteľnosť, možnosť zosilniť užitočný signál. Dobrá medzistupňová izolácia aktívneho filtra ( vyplývajúca z veľkého vstupného a malého výstupného odporu operačného zosilňovača ) umožňuje postupné, vzájomne sa veľmi málo ovplyvňujúce nastavenie jednotlivých stupňov filtra.

    Aktívne RC filtre môžu pracovať vo veľmi širokom rozsahu frekvencií a to od niekoľko desatín až stotín hertza až po niekoľko desiatok až stoviek hertzov. Horná pracovná frekvencia filtra je daná vlastnosťami samotného operačného zosilňovača v danom frekvenčnom pásme.

    V rozsahu frekvencií vyšších ako niekoľko sto kilohertzov nie je účelné používať aktívne filtre, pretože podobné vlastnosti sa dajú dosiahnuť aj jednoduchšími a lacnejšími pasívnymi filtrami.

Tak u pasívnych, ako aj u aktívnych filtrov rozlišujeme tzv. rád filtra. Rád filtra závisí od počtu reaktančných prvkov ( kondenzátorov a cievok ) použitých vo filtri, ktoré ovplyvňujú prenosové amplitúdovo-frekvenčné vlastnosti filtra v danom smere zmeny frekvencie ( buď smerom k nižším, alebo vyšším frekvenciám .) Ako príklad si uveďme dve jednoduché zapojenia integračného článku, ktorými realizujeme pasívny dolnopriepustný filter 1.rádu a 2.rádu.

Amplitúdovo-frekvenčné vlastnosti filtra 1. a 2. rádu

    Ako z obrázka vidno, dolnopriepustný filter 1.rádu obsahuje len jeden reaktančný prvok, preto má jeho prenosová amplitúdovo-frekvenčná charakteristika sklon –20dB/dek. Dolnopriepustný filter 2.rádu obsahuje dva reaktančné prvky ( kondenzátor a cievku ), preto má jeho prenosová amplitúdovo-frekvenčná charakteristika sklon –40dB/dek.

Poznámka :
    Wienov článok patrí medzi filtre 1.rádu aj napriek tomu, že obsahuje dva reaktančné prvky ( kondenzátory.) Pri tomto článku ide o spojenie jednoduchého integračného článku R1C1 ( čo je dolnopriepustný filter 1.rádu ) s  jednoduchým derivačným článkom R2C2 ( čo je hornopriepustný filter 1.rádu.)

 

Wienov článok
    Na záver tejto state o frekven
čných selektoroch uvedieme jednoduché zapojenia aktívnych obvodov realizujúcich jednotlivé typy frekvenčných filtrov.

Aktívny dolný priepust 1. ráduAktívny dolný priepust 2. rádu
Aktívny horný priepust 2. ráduAktívny pásmový priepust
Aktívna pásmová zádrž


    Je prirodzené, že okrem týchto zapojení existuje veľké množstvo iných zapojení, ktoré realizujú rovnaké typy filtrov. Tie si môže prípadný záujemca nájsť v odbornej literatúre a časopisoch.

Poznámka :
    Úplne na záver mi nedá nespomenúť skutočnosť, že práve u  filtrov sa môžeme v praxi stretnúť aj s iným číselným vyjadrením útlmu, resp. nárastu amplitúdovo-frekvenčnej charakteristiky filtra než sme to robili doposiaľ. Táto skutočnosť je naznačená na obrázku. My sme doposiaľ útlm, resp. nárast charakteristiky vyjadrovali v  dB / dekádu, t.j. o koľko dB nám narastie alebo klesne útlm prenosovej amplitúdovo-frekvenčnej charakteristiky pri zmene frekvencie 10-krát. V praxi, najme v elektroakustike a nízkofrekvenčnej technike sa pokles alebo nárast charakteristiky vyjadruje v  dB / oktávu, čo vyjadruje zmenu prenosu v dB na zmenu frekvencie 2x. Toto označenie je prevzaté z hudobnej teórie "Octo” znamená v latinčine “osem” a práve v hudbe každý ôsmy celý tón má v oktáve ( zoskupenie za sebou idúcich ôsmich celých tónov ) dvojnásobnú frekvenciu ako prvý tón v danej oktáve. Číselné vyjadrenie v dB dostaneme zo známeho vzťahu :
    [dB]

pričom
  fx   je  2.fk  alebo  10.fk .

Vzťah medzi útlmom 6 dB/okt a 20 dB/dek

    S frekvenčnými selektormi úzko súvisia obvody na úpravu tvaru kmitočtového spektra signálu.

 

Obvody na úpravu tvaru kmitočtového spektra signálu.

    Obvody na úpravu tvaru kmitočtového spektra signálu ( korektory ) slúžia na úpravu priebehu amplitúdovo-frekvenčnej charakteristiky daného elektronického zariadenia na presne definovaný tvar. Tieto obvody využívajú pre svoju činnosť rôzne typy filtrov a ich vzájomné kombinácie.

    My sme sa už stretli s týmito obvodmi v téme “Zosilňovače” v podtéme “Vysokofrekvenčné zosilňovače” v časti o kompenzáciách a to sériovej, paralelnejsériovo-paralelnej, ktoré slúžili na úpravu prenosový vlastností zosilňovača v oblasti vysokých frekvencií.

    Podobne sme rozoberali vlastnosti týchto obvodov v podtéme “Výkonové zosilňovače” v stati “Korekčné členy v zosilňovačoch”, kde sme si popísali korekčný obvod pre reguláciu prenosových vlastností nízkofrekvenčného zosilňovača v oblasti nízkych frekvencií ( basov ) a v oblasti vysokých frekvencií ( výšok ) v akustickom pásme, tzv. Baxandallov korekčný obvod. ( na obrázku vpravo )

Baxandelov korektor basov a výšok

    Korekčné obvody na úpravu priebehu amplitúdovo-frekvenčnej charakteristiky majú široké použitie v najrôznejších zariadeniach a  v podstate nie je možné bez nich realizovať žiaden zosilňovač určený na zosilňovanie striedavého signálu.

 


!!!   Použitie obsahu stránok alebo ich častí na "kvaziautorské" a komerčné účely je v rozpore s autorskými právami a je možné len so súhlasom autora   !!!

Spracoval :  Ing. Alexander Žatkovič
Prípadné pripomienky alebo otázky zasielajte na adresu