จะออกแบบฟิลเตอร์ LC แบบโลว์พาสได้อย่างไร?

เฮ้! ในฐานะซัพพลายเออร์ตัวกรอง LC ฉันมักถูกถามเกี่ยวกับวิธีการออกแบบตัวกรอง LC แบบโลว์พาส ดังนั้น ฉันคิดว่าฉันจะแบ่งปันข้อมูลเชิงลึกในหัวข้อนี้

เริ่มจากพื้นฐานกันก่อน ตัวกรอง LC ความถี่ต่ำผ่านเป็นวงจรอิเล็กทรอนิกส์ประเภทหนึ่งที่ยอมให้สัญญาณความถี่ต่ำผ่านได้ในขณะที่ลดทอนสัญญาณความถี่สูง ประกอบด้วยตัวเหนี่ยวนำ (L) และตัวเก็บประจุ (C) และการรวมกันของทั้งสององค์ประกอบทำให้มีคุณสมบัติในการกรอง

ทำความเข้าใจพื้นฐานของฟิลเตอร์ LC

ก่อนอื่น เราต้องทำความเข้าใจก่อนว่าตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุทำหน้าที่อะไร ตัวเหนี่ยวนำเก็บพลังงานไว้ในสนามแม่เหล็กเมื่อกระแสไหลผ่าน แรงดันไฟฟ้าตกคร่อมตัวเหนี่ยวนำเป็นสัดส่วนกับอัตราการเปลี่ยนแปลงของกระแส ในทางกลับกัน ตัวเก็บประจุจะเก็บพลังงานไว้ในสนามไฟฟ้า กระแสที่ไหลผ่านตัวเก็บประจุเป็นสัดส่วนกับอัตราการเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้าที่ไหลผ่านตัวเก็บประจุ

เมื่อเรารวมตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุไว้ในวงจร เราสามารถสร้างวงจรเลือกความถี่ได้ ในตัวกรอง LC แบบโลว์พาส ตัวเหนี่ยวนำมักจะอยู่ในอนุกรมกับสัญญาณอินพุต และตัวเก็บประจุจะวางขนานกับเอาต์พุต

ขั้นตอนที่ 1: กำหนดความถี่การตัดออก

ความถี่ตัด ($f_c$) เป็นพารามิเตอร์ที่สำคัญในตัวกรอง LC โลว์พาส เป็นความถี่ที่ตัวกรองเริ่มลดทอนสัญญาณอินพุต สูตรสำหรับความถี่ตัดของตัวกรอง LC แบบโลว์พาสอย่างง่ายได้มาจาก:

$f_c=\frac{1}{2\pi\sqrt{LC}}$

โดยที่ $L$ คือการเหนี่ยวนำในหน่วยเฮนรีส์ (H) และ $C$ คือความจุในหน่วยฟารัด (F)

สมมติว่าคุณต้องการออกแบบฟิลเตอร์โลว์พาสที่มีความถี่คัตออฟ 1 kHz คุณสามารถจัดเรียงสูตรใหม่เพื่อแก้โจทย์ $L$ หรือ $C$ ถ้าคุณทราบค่าของส่วนประกอบอื่น ตัวอย่างเช่น หากคุณเลือกค่าตัวเก็บประจุเป็น $C = 0.1\ \mu F$ คุณจะพบค่าความเหนี่ยวนำที่ต้องการได้ดังนี้:

ขั้นแรก ยกกำลังสองทั้งสองด้านของสูตร: $f_c^2=\frac{1}{4\pi^2LC}$

จากนั้น แก้หา $L$: $L=\frac{1}{4\pi^2f_c^2C}$

แทน $f_c = 1000\ Hz$ และ $C=0.1\times10^{- 6}\ F$ ลงในสูตร:

$L=\frac{1}{4\pi^2\times(1000)^2\times0.1\times10^{-6}}\approx0.253\ H$

ขั้นตอนที่ 2: การเลือกส่วนประกอบ

เมื่อคุณกำหนดความถี่ในการตัดและคำนวณค่าที่ต้องการของ $L$ และ $C$ แล้ว ก็ถึงเวลาเลือกส่วนประกอบจริง เมื่อเลือกตัวเหนี่ยวนำ คุณต้องพิจารณาค่าตัวเหนี่ยวนำ พิกัดความเผื่อ และความสามารถในการรองรับกระแสไฟฟ้า ตัวเหนี่ยวนำมีหลายประเภท เช่น ตัวเหนี่ยวนำแกนอากาศ แกนเหล็ก และตัวเหนี่ยวนำแกนเฟอร์ไรต์ แต่ละประเภทมีข้อดีและข้อเสียของตัวเอง

ตัวอย่างเช่น ตัวเหนี่ยวนำอากาศ - คอร์มีการสูญเสียต่ำที่ความถี่สูง แต่มีความเหนี่ยวนำค่อนข้างต่ำต่อหน่วยปริมาตร ตัวเหนี่ยวนำแกนเหล็กสามารถให้ค่าตัวเหนี่ยวนำสูง แต่อาจมีการสูญเสียที่สูงกว่าเนื่องจากกระแสไหลวน ตัวเหนี่ยวนำเฟอร์ไรต์ - แกนเป็นตัวประนีประนอมที่ดีระหว่างตัวเหนี่ยวนำทั้งสอง โดยให้ค่าความเหนี่ยวนำที่ค่อนข้างสูงและการสูญเสียที่ต่ำกว่าที่ความถี่ปานกลาง

เมื่อเลือกตัวเก็บประจุ คุณควรพิจารณาค่าความจุ ความคลาดเคลื่อน อัตราแรงดันไฟฟ้า และความต้านทานอนุกรมที่เทียบเท่า (ESR) ตัวเก็บประจุแบบเซรามิกมักใช้ในตัวกรอง LC แบบโลว์พาส เนื่องจากมี ESR ต่ำและมีเสถียรภาพที่ดีในช่วงความถี่ที่หลากหลาย

ขั้นตอนที่ 3: การวิเคราะห์การตอบสนองของตัวกรอง

หลังจากเลือกส่วนประกอบแล้ว สิ่งสำคัญคือต้องวิเคราะห์การตอบสนองความถี่ของตัวกรอง คุณสามารถใช้เครื่องมือซอฟต์แวร์ เช่น LTspice หรือ MATLAB เพื่อจำลองวงจรตัวกรองและพล็อตการตอบสนองความถี่

การตอบสนองความถี่ของตัวกรอง LC โลว์พาสโดยทั่วไปจะแสดงแบนด์พาสแบนด์ (โดยที่สัญญาณถูกส่งผ่านโดยมีการลดทอนเพียงเล็กน้อยหรือไม่มีเลย) จนถึงความถี่คัตออฟ ตามด้วยบริเวณม้วนออกซึ่งสัญญาณจะถูกลดทอนในอัตราที่แน่นอน อัตราการลดทอนมักจะแสดงเป็นเดซิเบลต่ออ็อกเทฟ (dB/อ็อกเทฟ) หรือเดซิเบลต่อทศวรรษ (dB/ทศวรรษ)

ตัวกรอง LC แบบโลว์พาสลำดับแรกแบบธรรมดามีอัตราการม้วนออกที่ 20 dB/ทศวรรษ หากคุณต้องการการม้วนออกที่ชันมากขึ้น คุณสามารถออกแบบตัวกรองลำดับที่สูงขึ้นได้โดยการเรียงซ้อนส่วน LC หลายส่วน ตัวอย่างเช่น ตัวกรอง LC ต่ำผ่านลำดับที่สองมีอัตราการม้วนออกที่ 40 dB/ทศวรรษ

ขั้นตอนที่ 4: พิจารณาข้อจำกัดในทางปฏิบัติ

ในการใช้งานจริง มีข้อจำกัดในทางปฏิบัติหลายประการที่คุณต้องพิจารณา ตัวอย่างเช่น คุณลักษณะที่ไม่เหมาะของส่วนประกอบอาจส่งผลต่อประสิทธิภาพของตัวกรอง ตัวเหนี่ยวนำอาจมีความจุของปรสิต และตัวเก็บประจุอาจมีค่าตัวเหนี่ยวนำอนุกรม (ESL) ที่เทียบเท่ากัน องค์ประกอบปรสิตเหล่านี้อาจทำให้เกิดเสียงสะท้อนและผลกระทบที่ไม่พึงประสงค์อื่นๆ ในตัวกรอง

ข้อจำกัดอีกประการหนึ่งคือความสามารถในการจัดการพลังงานของส่วนประกอบต่างๆ หากสัญญาณอินพุตมีระดับพลังงานสูง คุณต้องเลือกส่วนประกอบที่สามารถรองรับพลังงานได้โดยไม่เกิดความเสียหาย

ฟิลเตอร์ LC แบบโลว์พาสประเภทต่างๆ

มีโทโพโลยีที่แตกต่างกันของตัวกรอง LC แบบโลว์พาส เช่น ตัวกรองชนิด L, ชนิด T และตัวกรองชนิด $\pi$

• ตัวกรองชนิด L: นี่คือตัวกรอง LC แบบโลว์พาสที่ง่ายที่สุด ประกอบด้วยตัวเหนี่ยวนำต่ออนุกรมกับอินพุตและตัวเก็บประจุขนานกับเอาต์พุต ออกแบบได้ง่ายแต่อาจไม่ให้การม้วนออกที่สูงชันมากนัก
• ตัวกรองชนิด T: ตัวกรองชนิด AT มีตัวเหนี่ยวนำต่ออนุกรมกับอินพุตและมีตัวเก็บประจุสองตัวขนานกัน โดยตัวเหนี่ยวนำอยู่ที่แต่ละด้านของตัวเหนี่ยวนำ ให้การม้วนออกที่ดีกว่าตัวกรองชนิด L
• $\pi$ - ตัวกรองประเภท: ตัวกรองชนิด $\pi$ มีตัวเก็บประจุสองตัวขนานกับอินพุตและเอาต์พุต และมีตัวเหนี่ยวนำแบบอนุกรมระหว่างตัวเก็บประจุเหล่านั้น ให้การม้วนออกที่ชันกว่าและประสิทธิภาพที่ดีขึ้นในแง่ของการลดทอน

การประยุกต์ใช้ตัวกรอง LC แบบ Low-Pass

ตัวกรอง LC แบบโลว์พาสมีการใช้งานที่หลากหลาย โดยทั่วไปจะใช้ในระบบเสียงเพื่อขจัดสัญญาณรบกวนความถี่สูงออกจากสัญญาณเสียง นอกจากนี้ยังใช้ในแหล่งจ่ายไฟเพื่อกรองคลื่นความถี่สูงและสัญญาณรบกวนด้วย

ในระบบสื่อสาร ตัวกรอง LC โลว์พาสสามารถใช้เพื่อจำกัดแบนด์วิธของสัญญาณได้ ตัวอย่างเช่น ในเครื่องรับวิทยุ สามารถใช้ตัวกรองความถี่ต่ำผ่านเพื่อกรองสัญญาณรบกวนความถี่สูงและเลือกสัญญาณความถี่ต่ำที่ต้องการ

สินค้าที่เกี่ยวข้อง

หากคุณสนใจตัวกรองประเภทอื่นๆ เราก็มีให้เช่นกันตัวกรองอินพุตสามเฟส-ตัวกรองแบบพาสซีฟ, และตัวกรองอีเอ็มไอ- ตัวกรองเหล่านี้สามารถใช้ในการใช้งานทางอุตสาหกรรมและเชิงพาณิชย์ต่างๆ เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือของระบบไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์ของคุณ

บทสรุป

การออกแบบตัวกรอง LC ความถี่ต่ำผ่านเกี่ยวข้องกับหลายขั้นตอน ตั้งแต่การกำหนดความถี่ตัดไปจนถึงการเลือกส่วนประกอบที่เหมาะสมและการวิเคราะห์การตอบสนองของตัวกรอง ด้วยการทำความเข้าใจหลักการพื้นฐานและพิจารณาข้อจำกัดในทางปฏิบัติ คุณสามารถออกแบบตัวกรองที่ตรงกับความต้องการเฉพาะของคุณได้

หากคุณกำลังมองหาตัวกรอง LC คุณภาพสูง หรือต้องการข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับการออกแบบตัวกรอง โปรดติดต่อเราเพื่อขอการจัดซื้อและปรึกษาหารือเพิ่มเติม เราพร้อมช่วยคุณค้นหาโซลูชันที่ดีที่สุดสำหรับความต้องการของคุณ

อ้างอิง

• โฮโรวิตซ์, พี., และฮิลล์, ดับเบิลยู. (1989). ศิลปะแห่งอิเล็กทรอนิกส์ สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์.
  -Sedra, AS และ Smith, KC (2015) วงจรไมโครอิเล็กทรอนิกส์ สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยออกซ์ฟอร์ด.