Czym jest filtr LC? Jak działa i kiedy może się przydać?

Czym jest filtr LC? Jak działa i kiedy może się przydać?

Filtr LC to kolejny z układów (zaraz po filtrze RC), który można spotkać w wielu urządzeniach. Takie połączenie dławika i kondensatora jest niezwykle pomocne podczas filtrowania linii zasilania.

Temat ten jest trochę trudniejszy, więc tym razem skupimy się na skrótowym omówieniu podstaw, a następnie przeprowadzimy kilka symulacji.

Pokazany wcześniej filtr RC zawiera tylko jeden element utrudniający przepływ prądu zmiennego do właściwego układu – to kondensator. Nie jest to jednak jedyna możliwość, bo możemy w taki sposób połączyć ze sobą dwa podzespoły o podobnych właściwościach.

Czym jest filtr RC? Jak działa i co warto o nim wiedzieć?
Czym jest filtr RC? Jak działa i co warto o nim wiedzieć?

Filtr RC to hasło, które pojawiło się już w naszym kursie elektroniki. Wspominaliśmy tam, że pewne połączenie rezystora i... Czytaj dalej »

Czym jest filtr LC?

Struktura najprostszego filtru LC jest analogiczna jak RC, z tą różnicą, że rezystor zastępujemy w nim cewką. Przykładowy schemat takiego filtru może więc wyglądać następująco:

Filtr LC - podstawowy schemat

Filtr LC – podstawowy schemat

Cewka ma taką ciekawą właściwość, że im większa jest częstotliwość prądu, który próbuje przez nią przepłynąć, tym większą przeszkodę dla niego stanowi. Można ją obrazowo przyrównać do rezystora, który zmienia swoją rezystancję w zależności od częstotliwości sygnału.

Dlaczego tak się dzieje? Cewka gromadzi energię w polu magnetycznym. Im większe jest natężenie prądu, który przez nią płynie, tym więcej energii gromadzi. W czasie gdy natężenie prądu chce spaść, cewka zwiększa je (przez krótką chwilę) do pierwotnej wartości. Analogicznie w drugą stronę: jeżeli prąd chce gwałtownie wzrosnąć, ograniczy go. Więcej informacji na temat cewek znaleźć można w naszym kursie podstaw elektroniki:

Kurs elektroniki – #5 – cewki, dławiki
Kurs elektroniki – #5 – cewki, dławiki

W kolejnej części przystępnie omawiamy cewki oraz ich zastosowanie w elektronice cyfrowej. Projekty takie często pozbawione są cewek, warto... Czytaj dalej »

Sygnał zmienny cały czas próbuje wpłynąć na natężenie prądu w cewce. Włączenie do układu cewki zamiast rezystora spowoduje więc, że prąd stały będzie przepływał przez filtr niemal bez przeszkód. Natomiast prąd zmienny napotka dwie przeszkody. Pierwszą z nich jest cewka, zmniejszająca jego natężenie, a drugą kondensator, odprowadzający go do masy.

Filtr LC praktycznie nie stanowi przeszkody dla prądu stałego

Filtr LC praktycznie nie stanowi przeszkody dla prądu stałego

Im większa indukcyjność cewki (wyrażana w henrach), tym lepszą stanowi zaporę dla prądu zmiennego. Jednak, w przeciwieństwie do rezystorów, stworzenie cewki o dużej indukcyjności jest drogie, a gotowa cewka sporo waży i zajmuje dużo miejsca. Między innymi dlatego filtry LC nie są tak popularne jak RC.

Filtr LC dobrze blokuje prąd zmienny

Filtr LC dobrze blokuje prąd zmienny

Filtr LC – kiedy i po co używać?

Filtry tego typu opłaca się budować dla sygnałów o dużych częstotliwościach, rzędu setek kiloherców i więcej, ponieważ indukcyjności cewek są wtedy niewielkie. Filtry te powszechnie występują chociażby w odbiornikach radiowych, umożliwiając dostrojenie się do konkretnej stacji.

Na naszym blogu nie zajmujemy się konstruowaniem układów radiowych, jednak i tak możemy mieć pożytek z takich filtrów. W jaki sposób? Otóż można ich użyć do filtrowania zasilania dla układów cyfrowych, zwłaszcza mikrokontrolerów.

Skąd biorą się takie zakłócenia? Przyczyna jest bardzo prosta: źródło zasilania ma pewną rezystancję wewnętrzną. Impulsowe pobieranie z niego prądu powoduje impulsowe skoki napięcia, co opisuje prawo Ohma. Na tę rezystancję składa się zarówno opór wewnętrzny samego źródła (akumulatora lub stabilizatora), jak i wszystkich połączeń (przewodów, złącz, ścieżek).

Przykład działania filtru LC w praktyce

Zaobserwowanie działania filtru LC jest trudniejsze niż w przypadku filtru RC. Dlatego teraz posłużymy się symulacją wykonaną w programie LTspice. Załóżmy, że mamy źródło zasilające z tętnieniami o wartości od 4,5 V do 5,5 V (chociaż nominalnie powinno mieć 5 V). Zakłócenia pochodzą od innych pracujących układów cyfrowych. Załóżmy, że te zakłócenia mają częstotliwość 10 MHz, bo pochodzą np. z modułu radiowego.

Przebieg na źródle V1 mógłby wyglądać następująco:

Przykładowe zakłócenia widoczne na przebiegu symulacji

Przykładowe zakłócenia widoczne na przebiegu symulacji

Zastosowane tutaj impulsowe źródło prądowe symuluje mikrokontroler i np. jednoczesne przełączanie 16 wyjść po 20 mA każde (przez 0,5 µs), a rezystor imituje rezystancję ścieżek i przewodów zasilających.

Przykładowe zakłócenia widoczne na przebiegu symulacji

Przykładowe zakłócenia widoczne na przebiegu symulacji

Jak widać, tętnienia są znaczne. Takie zakłócenia praktycznie uniemożliwiłyby poprawną pracę np. przetwornika analogowo-cyfrowego. Co więcej, impulsowy pobór prądu powoduje spadki napięcia, przez co zasilany układ mógłby się zresetować lub zawiesić.

Dodanie dwóch kondensatorów (100 nF i 10 µF), tuż przy wyprowadzeniach zasilania, powinno poprawić sytuację. Pora to sprawdzić podczas kolejnej symulacji:

Efekt dołączenia kondensatorów

Efekt dołączenia kondensatorów

Jak widać, tłumienie pierwotnych impulsów nie jest znaczne, ponieważ kondensatorom daleko do ideału. Tak zabezpieczony układ nadal widzi szybkie impulsy pochodzące ze źródła zasilania.

Efekt działania filtru LC

Teraz spróbujemy dodać cewkę 10 µH (taki właśnie element znajduje się w zestawach do naszego kursu elektroniki). Podobne rozwiązanie można znaleźć na wielu schematach. W kursie elektroniki zostało powiedziane, że cewki charakteryzują się małym oporem. W związku z tym podczas symulacji należy dodać jeszcze jeden, mały rezystor, aby odwzorować rzeczywiste warunki.

Działanie układu po dołączeniu cewki – filtr LC w praktyce

Działanie układu po dołączeniu cewki – filtr LC w praktyce

Na powyższej symulacji okazuje się, że tętnienia napięcia są znacznie większe, niż byłyby bez użycia cewki i kondensatorów. Co gorsza, chwilowe skoki przewyższają wartość nominalnego napięcia zasilającego! Taki filtr pogarsza więc sytuację, zamiast ją poprawić. Jest jednak duża zaleta – pozbyliśmy się przynajmniej szybkozmiennych zakłóceń.

Zaimplementowany model cewki jest mocno uproszczony, lecz wystarczający do demonstracji zasadniczego zjawiska. To nie jest sytuacja wyssana z palca – takie rzeczy naprawdę potrafią wystąpić w prawdziwych układach elektronicznych. Wystarczy tylko trochę niewiedzy lub błąd podczas dobierania elementów. Przyczyną owego „dzwonienia”, bo tak nazywają się powstające zafalowania, jest zbyt duża dobroć filtru.

Charakterystyczny „dziób” w postaci nagłego spadku napięcia jest konsekwencją zasady działania cewki. Przez większość czasu płynie przez nią prąd o niewielkim natężeniu (10 mA), więc cewka reaguje spadkiem napięcia na nagły impuls prądowy (0,32 A). Ma ona nadzieję, że w ten sposób uda jej się powstrzymać zmianę prądu.

Filtr LC – dobór lepszych elementów (symulacja)

Niekiedy trzeba „pogorszyć” parametry filtru, wprowadzając do niego dodatkowe straty. Najprościej można to uczynić przez dołączenie równolegle do cewki rezystora o niewielkiej wartości, rzędu kilku omów. Oscylacje zmniejszają się, za to przenika więcej zakłóceń:

Działanie filtru z dodatkowym rezystorem

Działanie filtru z dodatkowym rezystorem

Co więcej można poradzić? Najprostsze wyjście to np. dodanie kolejnych kondensatorów filtrujących o pojemności 100 nF. Wtedy sytuacja staje się już akceptowalna:

Działanie filtru LC z dodatkowymi kondensatorami

Działanie filtru LC z dodatkowymi kondensatorami

Koraliki ferrytowe

Na szczęście mamy do dyspozycji dedykowane elementy przeciwzakłóceniowe, czyli koraliki ferrytowe. To taka cewka, która składa się z kawałka drutu przewleczonego przez mały kawałek ferrytu o wysokich stratach. Zazwyczaj chcemy, aby straty w cewkach były niskie, jednak tutaj dąży się do maksymalnego zwiększenia strat materiału magnetycznego, gdyż to rozproszy energię od zakłóceń.

Mały koralik ferrytowy wspomagający filtr RC

Mały koralik ferrytowy wspomagający filtr RC

Pora dodać taki element do symulacji. Na szczęście LTspice zawiera wśród modeli koraliki ferrytowe, które nawet wyglądem na schemacie przypominają rzeczywiste elementy. Oto przebieg symulacji:

Przebieg symulacji z koralikiem ferrytowym

Przebieg symulacji z koralikiem ferrytowym

Jak widać, na powyższej symulacji tłumienie zakłóceń jest lepsze, a gwałtowny spadek napięcia jest mniejszy. Można się pokusić o jeszcze bardziej skrupulatny dobór koralika, ale sytuacja i tak jest znacznie lepsza. Pozostał niewielki „przerzut” napięcia powyżej 5 V, lecz jego wartość jest niewielka, rzędu kilkudziesięciu miliwoltów.

Parametry użytego tutaj koralika ferrytowego są widoczne na poniższym zrzucie ekranu. Jak widać, indukcyjność tego tworu jest niewielka, prawie 100 razy mniejsza od użytego wcześniej dławika. To oznacza, że indukcyjność wcale nie musi determinować jakości filtracji.

Parametry użytego elementu

Parametry użytego elementu

Model ten posiada również inne parametry zastępcze, którymi opisuje się taki element. Ważna jest dla nas rezystancja szeregowa (series resistance), wynosząca tylko 0,032 Ω. Dla porównania – użyta wcześniej cewka miała 0,7 Ω, czyli ponad 20 razy więcej!

Podsumowanie

Filtry LC nie są używane przez początkujących pasjonatów elektroniki tak często jak opisane wcześniej filtry RC. Warto jednak chociaż znać podstawowe informacje, które zostały omówione w tym artykule. Teoria związana z tymi filtrami oraz teoretyczny sposób ich dobierania to stosunkowo trudne i mało fascynujące zagadnienia, więc specjalnie nie były tutaj poruszane. Najważniejsze, aby po lekturze powyższego wpisu zapamiętać sam fakt istnienia takich filtrów oraz to, że mogą być pomocne w filtracji zakłóceń w układach zasilania, w których kondensatory nie są wystarczające.

Czy wpis był pomocny? Oceń go:

Średnia ocena 4.8 / 5. Głosów łącznie: 103

Nikt jeszcze nie głosował, bądź pierwszy!

Artykuł nie był pomocny? Jak możemy go poprawić? Wpisz swoje sugestie poniżej. Jeśli masz pytanie to zadaj je w komentarzu - ten formularz jest anonimowy, nie będziemy mogli Ci odpowiedzieć!

Czytając i komentując niniejszy artykuł, należy pamiętać, że jest to publikacja przeznaczona głównie dla początkujących elektroników. Tłumaczenie zagadnień technicznych wymaga pewnych uproszczeń, które mogą „kłuć w oczy” osoby doświadczone. Zdajemy sobie sprawę, że na ten temat można napisać znacznie więcej, ale gdzieś trzeba postawić granicę zagłębiania się w dany temat, dzięki której materiał będzie łatwy w odbiorze dla większego grona czytelników.

Autor: Michał Kurzela, redakcja: Damian Szymański, ilustracje: Piotr Adamczyk

elektronika, filtr, ltspice, podstawy

Trwa ładowanie komentarzy...