Что такое фильтр нижних частот? руководство по основам пассивных rc фильтров

Lc-фильтр

Узкополосный LC-фильтр представляет, по сути, разновидность инвертирующего масштабного усилителя с частотно-зависимой ООС.
 

LC-фильтры низких частот становятся очень громоздкими, когда их частота среза лежит в области звуковых частот. При этом, если конденсаторы имеют небольшую емкость ( например, 0 01 мкФ), катушки становятся несоразмерно большими и массивными. Поэтому для фильтрации крайне низких частот целесообразно применять такие фильтры, которые не содержали бы катушек. Этому требованию удовлетворяют активные фильтры.
 

Включение Дросселя с компенсационной обмоткой.| График для расчета перенапряжений На сглаживающем фильтре.

Применять двухзвенный LC-фильтр выгодно, когда. При больших значениях q во избежание наводок на фильтр дроссель второго звена нужно располагать вдали от силовых трансформаторов и других источников переменных магнитных полей.
 

Для LC-фильтров, так же как и для активных фильтров, существуют различные методы анализа, различные характеристики. Например, можно использовать классические фильтры Баттерворта, Чебышева, Бесселя в качестве фильтров низких частот, высоких частот, полосовых и заграждающих фильтров. Оказывается, что проще всего разработать фильтр Баттерворта и на одной-двух страницах можно изложить всю информацию, необходимую для разработки НЧ — и ВЧ — LC-фильтров Баттерворта и даже привести примеры. Для получения более полной информации мы рекомендуем прекрасное руководство Зверева, указанное в библиографии. В табл. 3.1 приведены значения нормализованных индуктивностей и емкостей для фильтров НЧ различного порядка. С помощью этой таблицы определяют действительные значения емкостей и индуктивностей по формулам для соответствующих фильтров.
 

Схема активного фильтра нижних ( а и верхних ( б частот.

Применение LC-фильтров на частотах ниже 1000 гц приводит к увеличению габаритных размеров и веса усилителей при малой эффективности фильтров. Использование С-фильтров в транзисторных усилителях затруднено низкими входными сопротивлениями каскадов и, следовательно, большим затуханием в фильтрах, что ухудшает их избирательные свойства.
 

Недостатками LC-фильтра являются его относительно большие размеры, вес и наличие магнитных полей рассеяния вокруг дросселя.
 

Применение LC-фильтров в диапазоне инфразвуковых и низших звуковых частот встречает трудности из-за увеличения габаритов и веса индуктивностей, а также из-за сложности экранирования от непосредственного воздействия внешних магнитных полей. Для уменьшения влияния этих факторов катушку индуктивности обычно выполняют на тороидальном сердечнике из магнитомягкого материала с относительно высокой магнитной проницаемостью и достаточно хорошей стабильностью. В табл. 2 — 1 приведены основные параметры отечественных марганец-цинковых ферритов, которые рекомендуются использовать в качестве сердечника индуктивности в диапазоне низких частот.
 

Схемы фильтров.

Применение LC-фильтра целесообразно в том случае, когда при малом сопротивлении нагрузки требуется хорошая фильтрация выходного напряжения при малых потерях напряжения в фильтре. Наличие фильтров на выходе усилителя переменного тока существенно снижает верхний предел полосы пропускания усилителя, поэтому в каждом конкретном случае параметры фильтра должны быть минимальными. Следует также отметить, что включение обратной связи после фильтра существенно улучшает реакцию усилителя на отработку сигнала, так как создает форсировку и расширяет полосу пропускания усилителя.
 

Амплитудно-частотные характеристики фильтров.| Частотная характеристика третьоктавного фильтра.

Преимуществом LC-фильтров является простота, надежность, недостатком — относительно большие размеры и масса. Преимуществом активных С-фильтров являются малые габариты и масса, возможность микроминиатюризации.
 

Вместо LC-фильтров сосредоточенной селекции в последние годы начали применять пьезокерамическне фильтры; они дают возможность улучшить избира.
 

Активно-емкостные фильтры. а — Г — образный, б — П — образный.

Сетевые дроссели

Сетевой дроссель является двухсторонним буфером между сетью электроснабжения и преобразователем частоты и защищает сеть от высших гармоник 5, 7, 11 порядка с частотой 250Гц, 350 Гц, 550 Гц и т.д. Кроме того, сетевые дроссели позволяют защитить преобразователь частоты от повышенного напряжения сети питания и бросков тока при переходных процессах в питающей сети и нагрузке ПЧ, особенно при резком скачке сетевого напряжения, который бывает, например, при отключении мощных асинхронных двигателей. Сетевые дроссели с заданным падением напряжения на сопротивлении обмоток около 2% от номинальной величины сетевого напряжения предназначены для применения с преобразователями частоты не осуществляющими регенерацию энергии, освобождающейся при торможении двигателя обратно в систему электропитания. Дроссели с заданным падением напряжения на обмотках около 4% предназначены для работы комбинаций преобразователей и автотрансформаторов с функцией регенерации энергии торможения двигателя в систему электропитания.

Сетевые дроссели рекомендуется применять:

• при наличии в сети электропитания значительных помех от другого оборудования;
• при асимметрии напряжения питания между фазами более 1,8 % от номинальной величины напряжения;
• при присоединении преобразователя частоты к питающей сети с очень низким полным сопротивлением (например, при запитке ПЧ от рядом расположенного трансформатора, мощность которого более чем в 6-10 раз больше мощности ПЧ);
• при присоединении большого количества преобразователей частоты к одной линии электропитания;
• при питании от сети, к которой подключены другие нелинейные элементы, создающие существенные искажения;
• при наличии в схеме электроснабжения батарей конденсаторов (компенсаторов реактивной мощности), повышающих коэффициент мощности сети.

Преимущества применения сетевых дросселей:

• Защищают преобразователь частоты от импульсных всплесков напряжения в сети;
• Защищают преобразователь частоты от перекосов фаз питающего напряжения;
• Уменьшают скорость нарастания токов короткого замыкания в выходных цепях преобразователя частоты;
• Повышают срок службы конденсатора в звене постоянного тока ПЧ.

Когда именно нужен данный элемент

Хорошая акустика может не дополняться кроссовером вовсе. Почему? Потому что частотный диапазон поступающего в динамики звука гармоничен. Сами динамики и другие элементы способствуют этому. Тем не менее и хорошая акустическая система, которая дорого стоит, иногда не удовлетворяет своим звучанием. Музыкальный слух – не порок. Стоит ли страдать из-за врождённой биологической особенности? Производитель не обязан ориентироваться на категорию граждан с музыкальным слухом, чуткими рецепторами.

Акустика без кроссовера не функциональна в некоторых случаях

Что это такое: скрипы, посторонние шумы, искажение голоса? Хороший тренажер для слуха и укрепления нервной системы? Позаботиться о себе важно. Производители порой предлагают человеку сделать это самостоятельно

Музыка – это много звуков, которые обладают разным частотным диапазоном. Какие-то человек слышит, какие-то нет. Одни ему нравятся, другие не нравятся. Приглушать определённые частоты, наоборот, подчёркивать, делать их громкими или совсем незаметными – для этого был изобретён кроссовер. Акустика будет радовать, служить человеку по-настоящему, если добавить этот элемент.

Добавление сабвуфера

К указанным выше типам всегда можно добавить сабвуфер. В случаи когда требуется создать большое звуковое давление в самом низу диапазона, это очень простое, и очень дешевое решение

Особенно когда качество НЧ не особо важно (дискотека-взрывы-выстрелы)

Любители же слушать музыку сталкиваются с одной и той же неизбежной проблемой. На короткое время создается ощущение, что все звучит вроде очень замечательно.

После чего приходит понимание, что-то не совсем так, и сабвувер нужно подвигать или покрутит на нем ручки. Но как сабвувер не двигать, или крутить на нем ручки, всегда получится так…  Если на один трек еще можно получить хороший результат, то в общем пласте музыки — саба будет то много то мало. И фонограмма каждого конкретного трека будет очень специфическим образом преображаться.

Причина заключается в том, что фильтры сабвуферы стоят очень низко по частоте. Обычно это регулируемый второй порядок на 40-160 Гц и нерегулируемый(он всегда включен) на 300-400 Гц. В купе с тем, что сам по себе динамик сабвуфера, как это было рассказано выше, крутит фазу именно в этом месте:      

Получается то, что понятие фазы у сабвуфера по сути не существует. По тому как общая суммарная накрутка фазы в диапазоне рабочих частот сабвуфера приближается к пятому порядку. Нота всего на тон выше и ниже, звучит совершенно по-разному. С сильно другой фазой, — вплоть до противофазы….  От сюда и желание в беспрерывном подкручиванием ручек на сабфуфере от трека к треку.

Много свободного времени можно потратить на перемещая саба по комнате. Сдвинул его на метр, — и вот он совершенно по другому звучит. Клиент искренне думает, что тем самым он добивается более ровной АЧХ. Но проблема совершенно не в АЧХ, а в том, что у саба фаза накручена до уровня того, что фазы у него как таковой нет. Можно покрутить на нем фазу. Во всех случаях будет плохо. Но плохо будет по-разному.        

На практике большинство слушателей музыки уже через пару месяцев перестают слушать музыку с сабвуфером. Если речь идет именно о музыке.

И включают его только время от времени, для получения ощущения давления.

Что на 20 раз становится уже не особо интересно. И от сабвуфера большинство слушателей музыки стараются избавится. В этом собственно и причина большого количество предложений сабвуферов на Авито с аномально огромным дисконтом (для дорогих моделей 3-6 раза кратно ниже цены розницы).

А с создание давления у сабвуферов все замечательно. С этим никто не спорит.

Вот собственно и все варианты «характеров звучания» акустических систем при пассивной фильтрации.

Определитесь с «характером» звучания, который вам больше нравится. Трехполосная, двухполосная и широкополосная акустика эта разная акустика. И бессмысленно ее сравнивать между собой.

После того как поймете, что вы хотите, — рассматривайте варианты разного качества внутри этой группы. 

Весь выбор который у вас есть, — какие искажения вам более противны. Фазовые или нелинейные. Либо те и другие, но понемногу. 

Читайте по теме:

Кроссовер акустический — схемы для аудио колонок и сабвуфера своими руками

Самодельный акустический кроссовер применяемый в домашних колонках или сабвуферах изготовить собственными руками не представляет никакой сложности. Конечно, для этого нужно иметь хоть какие то навыки и прямые руки.

Зачем нужен кроссовер акустический в звуковой системе

Этот электронный прибор собранный по типу фильтров и играет важную роль в акустике. А предназначен он, чтобы разделять поступающий от источника сигнал на несколько рабочих частотных диапазонов используемыми динамиками. Кроссовер практически выполняет работу фильтра по отсеиванию ненужной частоты, тем самым фильтруя весь звуковой тракт.

Подключение кроссовера к колонке

В качестве простого примера здесь можно привести высокочастотные динамики, называемые пищалками. Так вот, если бы в аудио колонках не было установлено акустических кроссоверов, то пищалки просто бы захлебнулись всем спектром средних и особенно басовых частот хлынувшим на них. Ясное дело, что в таком случае говорить о каком то детализированном воспроизведении звука говорить не приходится. Динамические излучатели высокочастотного диапазона не могут воспроизводить другие частоты, кроме высоких.

Какие бывают типы кроссоверов

Аудио кроссоверы, это специальные электронные приборы в составе акустических систем, по типу они бывают активного и пассивного действия, двухполосные и трехполосные.

Положительные и отрицательные стороны пассивного фильтра частот

Установка и подключение конструкции частотного фильтра в колонках как правило выполняется в самой ближней точке от динамика.

Из этого следует, что при таком варианте, хватит только одного усилителя мощности, чтобы получить качественный звук. Такая схема использования пассивного фильтра говорит о его положительной стороне в работе акустики.

В продаже акустические фильтры бывают как в виде отдельных модулей так и встроенных в акустику, в основном расчитанные на две или три полосы пропускания. К недостаткам таких электронных устройств пассивного действия можно отнести их неспособность выдерживать длительную максимальную нагрузку. В случае долговременного использования пассивного кроссовера в режиме пиковой нагрузки, чревато входом его из строя.

Кроссовер акустический активного типа, его плюсы и минусы

Активный кроссовер в противовес пассивного имеет возможность корректного выбора и прецизионной настройки частоты среза. В частности, именно эта функция в устройстве считается наиболее ценной в плане создания качественного звука.

Предназначение

Кроссовер – это специальное устройство в структуре акустической системы, предназначенное для подготовки требуемого частного диапазона для каждой из установленных звуковых колонок. Последние разработаны для эксплуатации в пределах определённых частотных диапазонов. Выход частоты сигнала, подаваемого на колонку за границы диапазона может привести, как минимум, к искажениям воспроизводимого звука, например:

1. при подаче слишком низкой частоты исказится звуковая картина;
2. при подаче слишком высокой частоты владелец стереосистемы столкнётся не только с искажением звука,но и с выходом из строя твитера (высокочастотного динамика).Он может просто не выдержать этого режима работы.

В нормальных условиях задачей высокочастотного динамика является воспроизведение звука только высокой частоты, низкочастотного, соответственно, низкой. Полоса же, средних частот подаётся на мидвуфер – динамик, отвечающий за звучание средних частот. Исходя из вышесказанного, чтобы качественно воспроизвести автозвук, надо выделить соответствующие полосы частот и подать их на конкретные динамики. Для решения этой задачи и применяется кроссовер.

Устройство кроссовера

Конструктивно в кроссовер входит пара частотных фильтров, работающих следующим образом: например, если частота разделения установлена в 1000 Гц, один из фильтров будет выделять частоты ниже этого показателя. А второй – обрабатывать только полосу частот, превышающих заданную отметку. У фильтров есть свои названия: лоу-пасс – для обработки частоты ниже тысячи герц; хай-пасс – для обработки частоты выше тысячи герц.

Итак, выше был представлен принцип, по которому работает двухполосный кроссовер. На рынке существует и продукция трехполосного типа. Основное отличие, как становится понятно из названия, это третий фильтр, обрабатывающий среднюю полосу частот, от шестисот до пяти тысяч герц.

По сути, увеличение каналов фильтрации звуковой полосы, и последующая подача их на соответствующие динамики, приводит к более качественному и естественному звуковоспроизведению внутри авто.

Технические особенности

В большинстве современных кроссоверов присутствуют катушки индуктивности и конденсаторы. В зависимости от количества и качества изготовления этих реактивных элементов, обусловлена стоимость готового изделия.

Конденсаторы могут выделять и обрабатывать высокие частоты, в то время как катушки нужны для регулирования низких. Грамотно используя эти свойства, в результате можно получить самый простой частотный фильтр. Здесь нет смысла углубляться в сложные законы физики и приводить в качестве примера формулы. Тот, кто хочет более подробно ознакомиться с теоретическими основами, без труда найдёт информацию в учебниках или интернете. Профильным специалистам достаточно освежить в памяти принцип работы сетей LC-CL типа.

Количество реактивных элементов влияет на показатель разрядности кроссовера. Цифрой 1 обозначается один элемент, 2 – соответственно, два. В зависимости от количества и схемы подключения элементов, система по-разному осуществляет фильтрацию неподходящих частот для конкретного канала.

Есть смысл предположить, что большее количество применённых реактивных элементов делает процесс фильтрации лучшим. Схема фильтрации ненужных частот для конкретного канала имеет свою характеристику, называемую крутизной спада.

Фильтрам присуще свойство отрезать ненужные частоты постепенно, а не мгновенно.

Называется оно чувствительностью. В зависимости от этого показателя, продукция разделяется на четыре категории:

• модели первого порядка;
• модели второго порядка;
• модели третьего порядка;
• модели четвертого порядка.

ЭМИ–фильтры

По отношению к питающей сети частотно регулируемый привод (ПЧ+двигатель) является переменной нагрузкой. В совокупности с индуктивностью силовых кабелей это приводит к возникновению высокочастотных флуктуаций сетевого тока и напряжения и, следовательно, к электромагнитному излучению (ЭМИ) силовых кабелей, что может отрицательно сказаться на работе других электронных приборов. Фильтры электромагнитных излучений необходимы для обеспечения электромагнитной совместимости при установке преобразователя в местах, критичных к уровню помех питающей электросети.

Трехфазные ЭМИ–фильтры (EMC/EMI) существенно уменьшают уровень кондуктивных помех в широком диапазоне частот от 150 кГц до 30МГц. Паразитные токи циркулируют в пределах «клетки Фарадея» через ЭМИ–фильтр, не выходя за ее пределы. В результате защищаются иные устройства, подключенные к этой же сети электроснабжения от влияния электромагнитных помех, источником которых является ШИМ — инвертор преобразователя частоты. ЭМИ-фильтр должен устанавливаться как можно ближе к силовому входу ПЧ. В некоторым случаях ЭМИ-фильтр может уже быть встроен в корпус частотного преобразователя. Уровень электромагнитных излучений также в большой степени зависит от длины и способа укладки силовых кабелей. Поэтому при монтаже частотного преобразователя следует строго придерживаться рекомендаций изготовителя.

Разновидности

Существует пассивный и активный кроссовер сабвуфера. Каждый тип прибора имеет свои преимущества и недостатки.

Активный

Для активного (электронного) кроссовера необходимо подведение питания извне, поэтому его устанавливают до усилителя в системе. При этом звук обрабатывается предусилителем головного устройства. Уже после этого элемента расположены 2-3 элемента, усиливающих мощность. Одной усилительной детали будет недостаточно, т. к. сигналы, которые разделяет активное устройство, нет смысла сводить с помощью усилителя в единый звук.

Разделенные сигналы нужно усиливать отдельно. Чаще активные кроссоверы используются в изготовлении качественных дорогих звуковых систем. Электронные устройства состоят из большого количества фильтров, предназначенных для управления и легкого изменения частоты среза любого канала.

Чувствительность прибора может составлять 6-72 Дб на октаву. В автомобильных аудиосистемах показатель в среднем находит на отметке 24 Дб на октаву. Такой показатель приводит к тому, что частотный обмен почти отсутствует. Звук получается качественным. К недостаткам этого вида кроссоверов относят их высокую цену.

Пассивный

Пассивный кроссовер предназначен для обработки усиленного сигнала и располагается перед динамиками. Если его правильно использовать, то можно получить хороший результат. Изделия имеют порог чувствительности меньше 18 Дб на октаву. Выше этого значения функционируют лишь активные модели.

Пассивные устройства применяют с целью обработки сигналов твитеров и динамиков средней частоты. Низкочастотным динамикам подойдут эти кроссоверы, но их конденсаторы и катушки индуктивности должны быть качественными. Из-за этого модели увеличиваются в размере и стоят дороже.

Пассивные приборы не предназначены для перегрузок. Сильные сигналы, идущие от усилителя, способны изменить частоту среза фильтра, который при перегрузке делает звук слабым

При покупке пассивного кроссовера для сабвуфера нужно обращать внимание на его возможность выдерживать сильную нагрузку, которую создает усилитель

Обозначения модификаций

Среди обозначений, которые есть у модификаций кроссоверов для транспортных средств, можно отметить следующие:

Input, или вход

Именно к этому месту подключается выход активного усилителя, поэтому здесь важно не ошибиться с полярностью.
Woofer, или излучатель низких частот. К этому месту подключается динамик со средними и низкими частотами

Полосы разделения указываются в технической документации.
Twiter, или пищалка. К этому месту подключается динамик с высокими частотами.

Это основные моменты и правила, касающиеся того, как подключить кроссоверы к колонкам и ко всей акустической системе транспортного средства.

Если с первого раза не получилось

Даже если первая попытка найти нужные материалы, инструменты не увенчается успехом, стоит отложить свою идею на потом, но не прощаться с ней. Это действительно легко – взять и смастерить кроссовер. Поможет в этом схема кроссовера для акустики и фото прибора в деталях. С ней легко разобраться, понять, что это такое в принципе, получить наглядное представление, принять решение, опираясь на факты.

На этих фото чётко видно, что нет в приборе ничего страшного. Он прост, как 5 копеек. Справится и девушка, и мужчина, которые посещали уроки физики в школе, учились старательно. Впрочем, можно купить уже готовый, заводской кроссовер, или доверить тюнинг, модернизацию акустической системы авто профессионалам. Просто это стоит денег.

Устройство и принцип работы

Специальное устройство, которое подготавливает необходимую частоту диапазона с учетом характеристик установленных колонок, называют кроссовером. При подключении колонок учитывают, что выход частоты из нужного диапазона может стать причиной искажения звука.

Высокая частотность искажает звучание и нарушает работу твитера. Это приводит к сгоранию динамика и сабвуфера. Если акустическая система создается собственными руками, то нужно правильно подобрать усилитель и учесть следующие особенности:

• в устройстве есть 2 пары частотных фильтров, работающих только в диапазоне своих частот;
• в приборе установлены конденсаторы, работающие с высокими частотами, и индуктивные катушки для низкой частотности, качество изготовления которых влияет на стоимость готового прибора;
• значение разряжения устройства зависит от числа деталей, которые используют при его производстве.

При выборе кроссовера основываются на такие показатели, как индуктивность и сопротивление динамика, подключаемого к магнитоле.

Разделительный фильтр – кроссовер

Начнем по порядку. Как подсказывает Вики, кроссовер, это по сути фильтр. Фильтр – устройство для выделения желательных компонентов спектра электрического сигнала и подавления нежелательных частот. Как то сформулировано не понятно. Попробуем иначе.

Кроссовер в акустических системах – это устройства, которые создают определённые границы диапазонов частот для динамиков. Практически все динамики сконструированы специально так, чтобы работать в определенном частотном диапазоне.

К примеру, низкочастоные динамики могут играть и от 10 до 2500 Гц, но качественного звука на частотах 1000-1500 можно и не получить. Для этого существуют другие динамики – среднечастотного диапазона. Они уже могут играть от 200 и до 8000 Гц, но на предельных частотах уже точно будут искажения. С самыми высокими частотами спокойно могут справиться высокочастоные динамики, у которых диапазон может быть от 2000 до 20000 Гц и выше.

Все динамики очень не любят играть “чужие” частоты. Это не относится к широкополосным динамикам, там другая ситуация.

Если на высокочастотный динамик (знающие его называют “твитер”) подать низкую частоту, то звуковая картина будет просто ужасна. И если он будет играть достаточно долго и ещё на большой мощности, то твитер просто “сгорит” (иначе – сломается и перестанет работать). Высокочастотные динамики должны работать только с высокими частотами.

В свою очередь, низкочастотные динамики должны отыгрывать только низкочастотный диапазон. Оставшаяся средняя полоса, будет корректно воспроизведена среднечастотными динамикам (их ещё называют – мидвуферы).

Здесь сделаем предварительный вывод.

Задача кроссоверов состоит в том, чтобы разделить звуковой сигнал на нужные частотные диапазоны для соответствующих типов динамиков. Вот и вся наука! Но в действительности, это ещё не всё.