Aktywne filtry górno i dolnoprzepustowe
WstĊp, czyli stare dobre czasy...
Na podstawach elektrotechniki miaáem waákowane kilka miesiĊcy o wzmacniaczach operacyjnych. Tematyka podejmowanych tam zagadnieĔ znaczącą zniechĊciáa mnie do dalszych eksperymentów.
Zastanawiaáem siĊ podczas kolejnych nic nie znaczących tematów lekcji, do czego moĪna wykorzystaü wiedzĊ w zakresie budowy takich aplikacji wzmacniaczy operacyjnych jak: wzmacniacz róĪnicowy, caákujący, sumujący, mnoĪący.... MoĪe zrobiü komputer analogowy - Nie w obecnej chwili takie urządzenie nie znalazáoby zastosowania. Stanąáem, wiĊc przed ciĊĪkim zadaniem. W sumie są to áadne trójkąty (chodzi o symbol), ale w dalszym ciągu nie wiedziaáem co z nimi zrobiü. W koĔcu natknąáem siĊ na ksiąĪkĊ poĞwiĊconą caákowicie wzmacniaczom nie tylko operacyjnym. Patrząc na te wszystkie wzory, bĊdąc juĪ zaáamany pod wzglĊdem psychicznym oraz brakiem nowych pomysáów siĊgnąáem po gotowe rozwiązanie przykáadowego filtru z kilkoma prostymi wzorami na obliczenie elementów. KamieĔ spadá z serca i przystĊpując do symulacji wprowadziáem pierwsze zmiany w ukáadzie, dowiadując siĊ
jednoczeĞnie podstawowych zaleĪnoĞci czĊstotliwoĞci przepustowej od wartoĞci elementów (caáy czas sądzĊ, Īe wzory nigdy nie zastąpią praktyki). W ukáadzie powoli pojawiaáy siĊ nowe funkcje – przykáadowo táumienie sygnaáu w zaleĪnoĞci od poáoĪenia suwaka potencjometru.
Przyszedá w koĔcu finaá i oto przed PaĔstwem ukáad filtru niskich i wysokich tonów. Po co to, komu? WáaĞciwe na początku, obawiając siĊ
alternatywnych rozwiązaĔ typu korektor w komputerze, nie wiedziaáem jak dobrze przedstawiü ukáady, aby wzbudziáy zainteresowanie. Po dáuĪszym namyĞle ukáad o uwydatnieniu niskich tonów moĪna wykorzystaü podczas tworzenia subwoofera. Znając juĪ duĪe zainteresowanie takimi urządzeniami, na pewno zostanie zwrócona uwaga na takie rozwiązanie.
Pozostaáa kwestia wykorzystania filtru górnoprzepustowego sáuĪącego do wzmocnienia wysokich tonów. Jak na razie konkretne zastosowanie nie przychodzi mi do gáowy. Ukáad jednak moĪe sáuĪyü podobnie jak subwoofer do wzmacniania aktywnego wysokich tonów specjalnie dla potocznie mówiąc „gwizdka” Do tej pory doáączaliĞmy do takiego gáoĞnika kondensator, a teraz wyodrĊbnione zostanie pasmo juĪ
za koĔcówką mocy. Jest to bardzo waĪne – nie powstają Īadne znieksztaácenia i nie zostaje zredukowana moc!
W kaĪdym razie ukáady filtrów znajdą wszĊdzie zastosowanie, gdzie zaleĪy nam na wydzieleniu i wzmocnieniu okreĞlonego pasma czĊstotliwoĞciowego sygnaáu m.cz. (audio).
Opis wzmacniaczy operacyjnych serii TL07 i TL072
TL07 zawiera swej strukturze jeden wzmacniacz operacyjny, natomiast TL072 – dwa. Podstawowe parametry obu ukáadów scalonych są jednakowe i przedstawiają siĊ nastĊpująco:
Zasilanie: +/-5V
Moc: 680mW
Rezystancja wejĞciowa: 02 m
ZawartoĞü wszystkich harmonicznych: 0,0%
Maksymalne napiĊcie wejĞciowe: 0mV
Dokáadne opisy ukáadów scalonych TL07 oraz TL072 moĪna znaleĨü na witrynie internetowej Elektronika Hobby w dziale katalog: http://www.elektronika.basnet.pl/katalog/katalog.html
Opis filtrów
Urządzenie skáada siĊ z dwóch moduáów – nastawnika wysokich i niskich tonów poáączonych szeregowo (rys. ). Jednak kaĪdy nastawnik moĪe pracowaü oddzielnie redukując w ten sposób odpowiednie pasmo czĊstotliwoĞciowe (rys. 2 i 3).
Na ukáadzie Ua zostaá zbudowany filtr górnoprzepustowy, którego wáasnoĞci czĊstotliwoĞciowe zaleĪą od elementów C3, R3 i oczywiĞcie od P znajdujących siĊ w pĊtli sprzĊĪenia zwrotnego. CzĊstotliwoĞü graniczna wynosi 2kHz i moĪe byü z áatwoĞcią dopasowana do wáasnych potrzeb poprzez zmianĊ C3.
Na ukáadzie Ub zostaá zbudowany filtr dolnoprzepustowy, którego wáasnoĞci czĊstotliwoĞciowe zaleĪą od elementów C4, R6 oraz P2
znajdujące siĊ w pĊtli sprzĊĪenia zwrotnego. CzĊstotliwoĞü graniczna wynosi 350Hz i moĪe byü z áatwoĞcią zmieniana przez zmianĊ wartoĞci C4. Jest wskazane zastosowanie na wyjĞciu ukáadu dodatkowego wzmacniacza buforującego sprzĊĪonego pojemnoĞciowo – opisywany ukáad przy maksymalnym wzmocnieniu wzmacnia napiĊcie offsetu ok. 4
razy.
Testy przeprowadzono na oddzielnych nastawnikach dla tonów wysokich i niskich znajdujących siĊ odpowiednio na rysunkach 2 i 3.
ChociaĪ wykorzystano ukáad TL072, to do budowy jednego, wybranego
filtru wystarczy ukáad scalony zawierający tylko jeden wzmacniacz operacyjny – TL07, ale pamiĊtając o innych wyprowadzeniach tego scalaka. Warto zwróciü uwagĊ na rezystor R4, którego wartoĞü przy poáączeniu szeregowym filtrów wynosi M, a podczas pracy oddzielnej nastawnika dolnoprzepustowego rezystancja jest równa 47k.
MontaĪ i regulacja
Dwa filtry aktywne poáączone szeregowo zmontowano na jednej páytce drukowanej przedstawionej na rysunku 4. W przypadku chĊci wykorzystania tylko jednego filtru moĪemy uĪyü metody pajĊczarskiej –
zezwala na to prostota urządzenia. Na początku montujemy najmniejsze elementy, koĔcząc na podzespoáach o wiĊkszych gabarytach. Regulacji wysokich i niskich tonów dokonujemy za pomocą potencjometrów P i P2. ObojĊtnie, który ukáad zrobimy pamiĊtajmy, Īe wyjĞcia filtrów aktywnych podáączamy przed wzmacniaczem koĔcowym.
Dziaáanie
Po zakoĔczonej treĞci teoretycznej przyszedá czas na
przedstawienie wad i zalet, które zostaáy dostrzeĪone podczas testów praktycznych. Zarówno filtr górnoprzepustowy jak i dolnoprzepustowy nie likwidowaá w peáni innych czĊstotliwoĞci, powodując jedynie uwydatnienie lub osáabienie (zaleĪnie od poáoĪenia potencjometru) wybranego pasma.
Ma to jednak swoje dobre strony. Dlaczego? PrzecieĪ w przypadku caákowitej likwidacji przez filtr górnoprzepustowy pasma czĊstotliwoĞci poniĪej 2kHz, filtr dolnoprzepustowy, który poáączony jest szeregowo z górnoprzepustowym nie miaáby co wzmacniaü! Takie same zjawisko wystĊpuje w innym przypadku. WyobraĨmy sobie, Īe filtr górnoprzepustowy uwydatniá wysokie czĊstotliwoĞci, a filtr dolnoprzepustowy je po prostu zlikwidowaá - Dlatego tak waĪne jest, aby filtry nie likwidowaáy w peáni innych czĊstotliwoĞci, a jedynie wzmacniaáy swoje pasmo. Po doprowadzeniu wyjĞcia filtrów poáączonych szeregowo do wzmacniacza koĔcowego uzyskamy w ten sposób tradycyjny regulator barwy tonu, znajdujący siĊ w kaĪdym lepszym urządzeniu audio.
Autor: Kamil Gulczuk
Wersja Ĩródáowa projektu (w programie Protel 99SE)
elektronika@basnet.pl
jest dostĊpna na witrynie internetowej Elektronika
Hobby pod adresem:
http://www.elektronika.basnet.pl/protel/protel.html
C
B
A
Revision
6
Sheet of
Drawn By:
Number
:\protel_projekty\filtry_audio.ddb
7-Jun-2000
E
B
Title
Size
Date:
File:
5
56
4
4
Ğcie
1
2
Z2
Wyj
C4
270nF ~ 220nF
P2 10k
R6 2,2k
3
3
R5 1M
7
U1B
TL072
4
8
5
6
R4* 1M
Copyright (C) Elektronika Hobby
1
2
3
Z3
zasilanie
Ğcie 1 filtru
Wyj
C3 8,2nF
2
P1 10k
R3 2,2k
2
+15
-15
R2 1M
1
C1
100nF
U1A
TL072
C2
100nF
4
8
-15
+15
3
2
R1 47k
1
1
Rys. 1. Schemat ideowy dwóch filtrów aktywnych polaczonych szeregowo.
2
1
Ğcie
Z1
Wej
D
C
B
A
C
B
A
Revision
6
Sheet of
Drawn By:
Number
:\protel_projekty\filtry_audio.ddb
7-Jun-2000
E
B
Title
Size
Date:
File:
5
56
Ğcie
4
1
2
4
Z2
wyj
C3 8,2nF
P1
10k
R3 2,2k
R2
1M
1
U1A
C1
100nF
C2
100nF
TL072 lub TL071
4
8
-15
+15
3
3
Filtr górnoprzepustowy
3
2
R1 47k
2
1
Ğcie
Z1
Wej
Rys. 2. Schemat ideowy filtru górnoprzepustowego.
2
2
1
1
D
C
B
A
C
B
A
Revision
6
Sheet of
Drawn By:
Number
:\protel_projekty\filtry_audio.ddb
7-Jun-2000
E
B
Title
Size
Date:
File:
5
56
Ğcie
1
2
Z2
Wyj
4
4
C4 270nF ~ 220nF
P2 10k
R6
2,2k
R5 1M
7
U1B
TL072 lub TL071
C1
100nF
C2
100nF
3
3
4
8
+15
-15
Filtr dolnoprzepustowy
5
6
R4 47k
2
1
Ğcie
Z1
Wej
Rys. 3. Schemat ideowy filtru dolnoprzepustowego.
2
2
1
1
D
C
B
A