Mục Lục
Bộ Lọc Cộng Hưởng (Resonant Filter)
Bộ lọc cộng hưởng là loại mạch lọc đặc biệt được thiết kế để khuếch đại hoặc chặn một tần số cụ thể, gọi là tần số cộng hưởng. Bộ lọc này thường bao gồm các linh kiện như tụ điện và cuộn cảm, giúp nó tạo ra cộng hưởng tại tần số xác định, từ đó lọc ra các tín hiệu không mong muốn hoặc khuếch đại tín hiệu mong muốn trong một dải tần hẹp.
Cho đến nay, các thiết kế bộ lọc mà chúng tôi tập trung vào đã sử dụng tụ điện hoặc cuộn cảm , nhưng chưa bao giờ sử dụng cả hai cùng một lúc. Bây giờ chúng ta nên biết rằng sự kết hợp của L và C sẽ có xu hướng cộng hưởng và tính chất này có thể được khai thác trong việc thiết kế các mạch lọc dải thông và dải chặn.
Mạch LC nối tiếp cho trở kháng tối thiểu khi cộng hưởng, trong khi mạch LC song song (“xe tăng”) cho trở kháng tối đa ở tần số cộng hưởng của chúng. Biết được điều này, chúng ta có hai chiến lược cơ bản để thiết kế bộ lọc thông dải hoặc chặn băng thông.
Đối với các bộ lọc thông dải, hai chiến lược cộng hưởng cơ bản là: LC nối tiếp để truyền tín hiệu hoặc LC song song để rút ngắn tín hiệu. Hai sơ đồ sẽ được đối chiếu và mô phỏng ở đây:
Bộ lọc dải thông cộng hưởng nối tiếp
Các thành phần LC dòng truyền tín hiệu ở mức cộng hưởng và chặn tín hiệu của bất kỳ tần số nào khác truyền đến tải.
Một số điểm cần lưu ý: hãy xem hầu như không có sự suy giảm tín hiệu nào trong “dải thông” (dải tần số gần đỉnh điện áp tải), không giống như các bộ lọc thông dải chỉ được làm từ tụ điện hoặc cuộn cảm.
Ngoài ra, do bộ lọc này hoạt động theo nguyên tắc cộng hưởng LC nối tiếp, tần số cộng hưởng không bị ảnh hưởng bởi điện trở mạch nên giá trị của điện trở tải sẽ không làm lệch tần số đỉnh. Tuy nhiên, các giá trị khác nhau của điện trở tải sẽ thay đổi “độ dốc” của biểu đồ Bode (“độ chọn lọc” của bộ lọc).
Kiểu cơ bản khác của bộ lọc thông dải cộng hưởng sử dụng mạch bể (kết hợp LC song song) để rút ngắn các tín hiệu có tần số quá cao hoặc quá thấp khi truyền đến tải:
Bộ lọc băng thông cộng hưởng song song
Mạch xe tăng sẽ có nhiều trở kháng khi cộng hưởng, cho phép tín hiệu truyền đến tải với độ suy giảm tối thiểu. Tuy nhiên, dưới hoặc trên tần số cộng hưởng, mạch trong bể sẽ có trở kháng thấp, làm chập mạch tín hiệu và giảm phần lớn tín hiệu qua điện trở nối tiếp R1.
Giống như các thiết kế bộ lọc thông thấp và thông cao dựa vào điện trở nối tiếp và thành phần “ngắn mạch” song song để làm giảm các tần số không mong muốn, mạch cộng hưởng này không bao giờ có thể cung cấp đầy đủ điện áp đầu vào (nguồn) cho tải.
Điện trở nối tiếp đó sẽ luôn giảm một lượng điện áp miễn là có điện trở tải được kết nối với đầu ra của bộ lọc. Cần lưu ý rằng dạng mạch lọc thông dải này rất phổ biến trong mạch điều chỉnh vô tuyến tương tự, để chọn một tần số vô tuyến cụ thể từ vô số tần số có sẵn từ ăng-ten.
Trong hầu hết các mạch dò sóng vô tuyến tương tự, nút xoay để chọn trạm sẽ di chuyển một tụ điện biến thiên trong mạch bể.
Tụ điện biến thiên và cuộn cảm lõi không khí như trong hình trên, ảnh của một đài phát thanh đơn giản bao gồm các phần tử chính trong bộ lọc mạch bể được sử dụng để phân biệt tín hiệu của đài phát thanh này với tín hiệu của đài khác.
Giống như việc chúng ta có thể sử dụng các mạch cộng hưởng LC nối tiếp và song song để chỉ truyền các tần số đó trong một phạm vi nhất định, chúng ta cũng có thể sử dụng chúng để chặn các tần số trong một phạm vi nhất định, tạo ra bộ lọc chặn băng tần. Một lần nữa, chúng ta có hai chiến lược chính cần tuân theo khi thực hiện việc này, đó là sử dụng cộng hưởng nối tiếp hoặc cộng hưởng song song. Đầu tiên, chúng ta sẽ xem xét sự đa dạng của loạt sản phẩm:
Bộ lọc chặn dải cộng hưởng nối tiếp
Khi tổ hợp LC nối tiếp đạt đến mức cộng hưởng, trở kháng rất thấp của nó sẽ ngắt tín hiệu, làm rơi tín hiệu qua điện trở R 1 và ngăn không cho tín hiệu truyền vào tải.
Tiếp theo, chúng ta sẽ kiểm tra bộ lọc chặn dải cộng hưởng song song:
Bộ lọc chặn dải cộng hưởng song song
Các thành phần LC song song có trở kháng cao ở tần số cộng hưởng, do đó chặn tín hiệu khỏi tải ở tần số đó. Ngược lại, nó truyền tín hiệu đến tải ở bất kỳ tần số nào khác.
Một lần nữa, hãy lưu ý rằng việc không có điện trở nối tiếp sẽ tạo ra sự suy giảm tối thiểu cho tất cả các tín hiệu (được truyền) mong muốn như thế nào. Mặt khác, biên độ ở tần số notch rất thấp. Nói cách khác, đây là một bộ lọc rất “chọn lọc”.
Trong tất cả các thiết kế bộ lọc cộng hưởng này, độ chọn lọc phụ thuộc rất lớn vào “độ tinh khiết” của điện cảm và điện dung được sử dụng. Nếu có bất kỳ điện trở đi lạc nào (đặc biệt có thể xảy ra ở cuộn cảm), điều này sẽ làm giảm khả năng phân biệt tần số chính xác của bộ lọc, cũng như tạo ra các hiệu ứng chống cộng hưởng sẽ làm lệch tần số đỉnh/điểm.
Tại thời điểm này, một lời cảnh báo đối với những người thiết kế các bộ lọc thông thấp và thông cao là cần thiết. Sau khi đánh giá các thiết kế bộ lọc thông thấp và thông cao RC và LR tiêu chuẩn, học sinh có thể nhận thấy rằng có thể nhận ra thiết kế tốt hơn, hiệu quả hơn của bộ lọc thông thấp hoặc thông cao bằng cách kết hợp các phần tử điện dung và cảm ứng với nhau như Hình dưới đây.
Bộ lọc thông thấp cảm ứng điện dung
Cuộn cảm sẽ chặn mọi tần số cao, trong khi tụ điện cũng sẽ rút ngắn mọi tần số cao, cả hai hoạt động cùng nhau để chỉ cho phép các tín hiệu tần số thấp đến tải.
Lúc đầu, đây có vẻ là một chiến lược tốt và loại bỏ nhu cầu kháng cự hàng loạt. Tuy nhiên, sinh viên hiểu biết sâu sắc hơn sẽ nhận ra rằng bất kỳ sự kết hợp nào giữa tụ điện và cuộn cảm với nhau trong mạch điện đều có khả năng gây ra hiệu ứng cộng hưởng xảy ra ở một tần số nhất định.
Sự cộng hưởng, như chúng ta đã thấy trước đây, có thể gây ra những hiện tượng kỳ lạ. Hãy vẽ sơ đồ phân tích SPICE và xem điều gì xảy ra trên dải tần số rộng:
Thứ được cho là bộ lọc thông thấp hóa ra lại là bộ lọc thông dải có đỉnh ở khoảng 526 Hz! Điện dung và điện cảm trong mạch lọc này đang đạt được sự cộng hưởng tại điểm đó, tạo ra sự sụt giảm điện áp lớn xung quanh C 1 , được nhìn thấy ở tải, bất kể ảnh hưởng suy giảm của L 2 .
Điện áp đầu ra của tải tại thời điểm này thực sự vượt quá điện áp đầu vào (nguồn)! Phản ánh thêm một chút cho thấy rằng nếu L 1 và C 2 ở mức cộng hưởng, chúng sẽ tạo ra một tải rất nặng (trở kháng rất thấp) lên nguồn AC, điều này cũng có thể không tốt.
Chúng ta sẽ chạy lại phân tích tương tự, chỉ lần này là vẽ đồ thị điện áp của C 1 , vm(2) trong Hình bên dưới và dòng điện nguồn, I(v1), cùng với điện áp tải, vm(3):
Chắc chắn rồi, chúng ta thấy điện áp trên C 1 và dòng điện tăng vọt lên một điểm cao ở cùng tần số tại đó điện áp tải là tối đa. Nếu chúng ta mong đợi bộ lọc này cung cấp chức năng thông thấp đơn giản thì chúng ta có thể thất vọng với kết quả.
Vấn đề là bộ lọc LC có trở kháng đầu vào và trở kháng đầu ra phải phù hợp. Trở kháng nguồn điện áp phải khớp với trở kháng đầu vào của bộ lọc và trở kháng đầu ra của bộ lọc phải khớp với “ tải r ” để có phản hồi phẳng.
Trở kháng đầu vào và đầu ra được tính bằng căn bậc hai của (L/C).
Lấy các giá trị thành phần từ đó, chúng ta có thể tìm thấy trở kháng của bộ lọc và tải R g và R cần thiết để khớp với nó.
Với L= 100 mH, C= 1µF Z = (L/C) 1/2 =((100 mH)/(1 µF)) 1/2 = 316 Ω
Trong hình bên dưới, chúng tôi đã thêm R g = 316 Ω vào máy phát và thay đổi tải R từ 1000 Ω thành 316 Ω. Lưu ý rằng nếu chúng ta cần truyền tải 1000 Ω, tỷ lệ L/C có thể được điều chỉnh để phù hợp với điện trở đó.
Bộ lọc phù hợp trở kháng
Hình dưới đây cho thấy đáp ứng “phẳng” của bộ lọc thông thấp LC khi trở kháng nguồn và tải khớp với trở kháng đầu vào và đầu ra của bộ lọc.
Điểm cần thực hiện khi so sánh phản hồi của bộ lọc không khớp với bộ lọc phù hợp là tải thay đổi trên bộ lọc tạo ra sự thay đổi đáng kể về điện áp. Đặc tính này có thể áp dụng trực tiếp cho các nguồn cung cấp năng lượng được lọc LC – quy định kém. Điện áp nguồn thay đổi khi tải thay đổi. Đây là điều không mong muốn.
Việc điều chỉnh tải kém này có thể được giảm thiểu bằng một cuộn cảm đong đưa . Đây là một cuộn cảm, một cuộn cảm, được thiết kế để bão hòa khi có dòng điện một chiều lớn đi qua nó.
Khi nói đến bão hòa, chúng tôi muốn nói rằng dòng điện một chiều tạo ra mức từ thông “quá” trong lõi từ, do đó thành phần AC của dòng điện không thể thay đổi từ thông. Vì cảm ứng tỉ lệ với dΦ/dt nên độ tự cảm bị giảm bởi dòng điện một chiều nặng.
Độ tự cảm giảm thì điện kháng XL . Giảm điện kháng, giảm điện áp rơi trên cuộn cảm; do đó, tăng điện áp ở đầu ra bộ lọc. Điều này cải thiện việc điều chỉnh điện áp đối với các tải thay đổi.
Bất chấp sự cộng hưởng ngoài ý muốn, các bộ lọc thông thấp được tạo thành từ tụ điện và cuộn cảm thường được sử dụng làm giai đoạn cuối trong bộ nguồn AC/DC để lọc điện áp AC “gợn” không mong muốn ra khỏi DC được chuyển đổi từ AC.
Tại sao lại như vậy, nếu thiết kế bộ lọc cụ thể này có một điểm cộng hưởng tiềm ẩn rắc rối?
Câu trả lời nằm ở việc lựa chọn kích thước thành phần bộ lọc và tần số gặp phải từ bộ chuyển đổi AC/DC (bộ chỉnh lưu). Những gì chúng tôi đang cố gắng thực hiện trong bộ lọc nguồn AC/DC là tách điện áp DC khỏi một lượng nhỏ điện áp AC tần số tương đối cao.
Cuộn cảm và tụ điện của bộ lọc nhìn chung khá lớn (điển hình là vài Henry cho cuộn cảm và hàng nghìn µF cho tụ điện), làm cho tần số cộng hưởng của bộ lọc rất rất thấp. Tất nhiên, DC có “tần số” bằng 0, vì vậy không có cách nào nó có thể làm cho mạch LC cộng hưởng.
Mặt khác, điện áp gợn sóng là điện áp xoay chiều không hình sin bao gồm tần số cơ bản ít nhất gấp đôi tần số của điện áp xoay chiều được chuyển đổi, ngoài ra còn có sóng hài gấp nhiều lần.
Đối với nguồn điện cắm trên tường chạy bằng nguồn điện xoay chiều 60 Hz (60 Hz ở Hoa Kỳ; 50 Hz ở Châu Âu), tần số thấp nhất mà bộ lọc từng thấy là 120 Hz (100 Hz ở Châu Âu), cao hơn nhiều điểm cộng hưởng của nó. Do đó, điểm cộng hưởng có thể gây rắc rối trong bộ lọc như vậy là hoàn toàn tránh được.
Phân tích SPICE sau đây tính toán đầu ra điện áp (AC và DC) cho bộ lọc như vậy, với các nguồn điện áp DC và AC (120 Hz) nối tiếp cung cấp gần đúng đầu ra tần số hỗn hợp của bộ chuyển đổi AC/DC.
Với 12 volt DC đầy đủ ở tải và chỉ còn lại 34,12 µV AC từ nguồn AC 1 volt đặt trên tải, thiết kế mạch này chứng tỏ mình là một bộ lọc nguồn điện rất hiệu quả .
Bài học rút ra ở đây về hiệu ứng cộng hưởng cũng áp dụng cho việc thiết kế bộ lọc thông cao sử dụng cả tụ điện và cuộn cảm. Miễn là tần số mong muốn và không mong muốn ở hai bên điểm cộng hưởng, bộ lọc sẽ hoạt động tốt.
Nhưng nếu bất kỳ tín hiệu nào có cường độ đáng kể gần tần số cộng hưởng được đưa vào đầu vào của bộ lọc thì những điều kỳ lạ sẽ xảy ra!
xem thêm tại diencobacninh.com
