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 kondensatora może stać się niezwykle przydatnym filtrem.

Pora wyjaśnić co to dokładnie oznacza, czym jest filtr RC, kiedy może się przydać i jak powinno się go w praktyce używać!

Czym jest filtr w elektronice?

Filtr jest dla prądu tym, czym dla piasku sito: przepuszcza to, co pożądane, a odrzuca to, czego nie chcemy. Dzięki temu możemy sprawić, że sygnał (np. od czujnika) zostanie oczyszczony z zakłóceń, wygładzony lub "okrojony" z części sygnału, która nas nie interesuje. W elektronice często spotyka się filtry RC (które są głównym bohaterem tego wpisu) oraz filtry LC.

Czym jest filtr w elektronice?

Czym jest filtr w elektronice?

Drgania styków i filtr RC w praktyce

Załóżmy, że chcemy podłączyć przycisk do wejścia naszego mikrokontrolera (np. do Arduino). Jego naciśnięcie musi zmieniać stan logiczny na odpowiednim pinie. Najprościej można to zrobić przez podłączenie przycisku między masę (minus zasilania) a rezystor podciągający.

Przykładowe podłączenie przycisku do Arduino (bez filtru)

Przykładowe podłączenie przycisku do Arduino (bez filtru)

Układ połączony, program wgrany do pamięci i… nic nie działa prawidłowo. Przycisk zachowuje się tak, jakby był wciskany nawet kilkanaście razy, podczas gdy został wciśnięty tylko raz. Co gorsze, przy jego puszczaniu również mikrokontroler reaguje kilkukrotnie.

Gołym okiem nie sposób dostrzec tutaj przyczyny tego błędu. Dopiero przy użyciu oscyloskopu można się przekonać, co trafia na wejście mikrokontrolera:

Owa „sieczka” powoduje błędne funkcjonowanie programu – układ nie wie, że jest ona niepożądana, traktuje ją jak działanie użytkownika (mikrokontroler interpretuje to jako bardzo szybkie, wielokrotne wciskanie przycisku). Powodem tego zjawiska jest niezauważalne gołym okiem drżenie styków, które powstaje podczas ich zwierania i zwalniania. W sumie nie jest to nic dziwnego, bo – jak było już mówione w kursie podstaw elektroniki – we wnętrzu takiego przycisku znajduje się sprężysta blaszka.

Drgania styków - faktyczne działanie przycisku

Drgania styków - faktyczne działanie przycisku

Chcemy uzyskać logiczne „0” lub „1”, bez żadnych dziwnych zmian pomiędzy nimi. Oczywiście możemy w tym celu napisać w programie odpowiednią funkcję, która będzie filtrowała dane wejściowe. Nie zawsze mamy jednak taką możliwość.

Różnica między stanem oczekiwanym, a stanem faktycznym

Różnica między stanem oczekiwanym, a stanem faktycznym

Zakłócenia są znacznie szybsze (tj. zmieniają się szybciej) od sygnału pożądanego. W związku z tym sytuacja jest dość prosta. Zadaniem filtru będzie usunięcie tych elementów sygnału, których nie chcemy. Tutaj przyda się dolnoprzepustowy filtr RC, który przepuści tylko to, co zmienia się powoli.

Jak działa filtr RC dolnoprzepustowy?

W elektronice powstało wiele pomysłów na realizacje filtrów – każdy z nich ma swoje wady i zalety. Tutaj wystarczy najprostszy z nich, czyli dolnoprzepustowy filtr RC. Składa się on tylko z dwóch elementów: rezystora i kondensatora. Stąd bierze się nazwa filtru R (od resistor) oraz C (od capacitor). Oba te elementy były omówione już na samym początku naszego kursu podstaw elektroniki:

Kurs elektroniki – #4 – kondensatory, filtrowanie zasilania
Kurs elektroniki – #4 – kondensatory, filtrowanie zasilania

Ta część kursu jest poświęcona następnej grupie elementów biernych, które również pojawiają się w prawie każdym urządzeniu... Czytaj dalej »

Rezystor włącza się szeregowo, między wyjściem a wejściem filtru. Może przez niego płynąć zarówno prąd stały, jak i zmienny. Z kolei za rezystorem, między wyjściem a masą, jest miejsce dla kondensatora. Kondensator ma tę cechę, że w połączeniu szeregowym przepływa przez niego tylko prąd zmienny (dla prądu stałego stanowi on blokadę).

Filtr RC - przykładowa ilustracja działania

Filtr RC - przykładowa ilustracja działania

Jak zbudować filtr RC?

Wejście filtru podłączamy do przycisku. Przez rezystor prąd stały przechodzi do wyjścia filtru, które jest przeznaczone dla mikrokontrolera. Z kolei kondensator odprowadza do masy prąd zmienny, przez co nie przedostaje się on na wyjście i nie zakłóca działania mikrokontrolera.

Kondensator w tym zastosowaniu ma jeszcze jedną zaletę: im większa jest częstotliwość składowej zmiennej, tym lepiej jest ona zwierana do masy. Przykładowy filtr dla przycisku może wyglądać tak jak na schemacie poniżej:

Oscyloskop potwierdza, że szybko zmieniające się zakłócenia nie występują za filtrem. Co więcej, od razu widzimy, że wykorzystanie filtru zmieniło sygnał pojawiający się na wyjściu układu. Zamiast gwałtownej zmiany poziomów logicznych otrzymaliśmy płynne, łagodne przejście.

Sygnał, który przeszedł przez filtr RC

Sygnał, który przeszedł przez filtr RC

Jak dobrać filtr RC?

Wartości użytych w filtrze elementów można zmieniać. Im większy będzie iloczyn oporności rezystora i pojemności kondensatora, tym niższa będzie częstotliwość, od której filtr zacznie działać. Specjalny kalkulator filtru RC nie będzie potrzebny, bo obliczenie wartości elementów jest dość proste:

Wzór filtr RC - wzór do obliczeń filtru RC

Wzór określający częstotliwość graniczną filtru RC

Oczywiście nie zawsze trzeba dokładnie obliczać jakie elementy użyć do filtru RC. Często można wykorzystać "uniwersalne pary" elementów, które sprawdzają się w takich prostych zastosowaniach. Zamiast użytego w tym przykładzie rezystora 1 kΩ i kondensatora 100 nF można zastosować inne pary wartości, które dadzą podobny efekt, np.:

  • 470 Ω i 220 nF
  • 330 Ω i 330 nF
  • 220 Ω i 470 nF

Filtr RC - różne konfiguracje, podobne działanie

Oczywiście możemy też zastosować inne konfiguracje filtrów eliminujących drgania styków. Oto kilka przykładowych schematów, które warto znać.

Osobiście za najskuteczniejszy uważam układ, który pokazałem wcześniej. Układ oznaczony jako nr 1 (poniżej) działa tak samo – różni się jedynie miejscem podłączenia jednej okładki kondensatora. Na kondensatorze będzie się odkładała inna wartość napięcia, lecz efekt uzyskamy identyczny. Taka sztuczka może pomóc przy projektowaniu ciasno upakowanej płytki drukowanej.

Układ numer 2 też zawiera filtr dolnoprzepustowy, ale jego działanie zostało nieco osłabione. Sygnał sterujący dla mikrokontrolera nie jest pobierany wprost z kondensatora, więc tłumienie drgań jest gorsze. Zaletą jest mniejsze tłumienie sygnału szybko przełączających się styków.

Układ numer 3 działa podobnie do układu numer 1 – z tą różnicą, że kondensator jest w nim ładowany (po zwolnieniu przycisku) nieco szybciej. Jednak różnica jest na tyle mała, że praktycznie nie ma ona znaczenia. Trzeba za to uważać na stosunek wartości rezystorów: jeżeli 1 kΩ znacząco zwiększymy (lub 10 kΩ zmniejszymy), to mikrokontroler przestanie wykrywać zwieranie styków przycisku.

Układ numer 4 nie różni się niczym od pierwotnego układu poza dodaniem diody. Według niektórych taka modyfikacja ma na celu przyspieszenie ładowania kondensatora, kiedy styki zostaną rozwarte. Co bardziej zaawansowani czytelnicy zauważą, że przez tę diodę raczej nigdy nie popłynie prąd, ponieważ odłoży się na niej zbyt małe napięcie (maksymalnie 0,45 V), aby została otwarta.

Filtr RC w połączeniu z ADC

Problem zakłóceń dotyczy również przetworników analogowo-cyfrowych. Weźmy jako przykład taki oto prosty układ do pomiaru natężenia oświetlenia. W roli czujnika zastosowany został tutaj fotorezystor.

Przykład wykorzystania fotorezystora do pomiaru natężenia światła

Przykład wykorzystania fotorezystora do pomiaru natężenia światła

Rezystancje występujące w tym układzie są relatywnie duże, dlatego na wejście przedostanie się cała masa różnych zakłóceń. Trzeba też pamiętać o tym, że im dłuższe są połączenia w takim układzie, tym lepiej zbiera on wszelkiego rodzaju zakłócenia.

W przypadku z fotorezystorem nie możemy również zapominać o świetlówkach, które migają ze stosunkowo dużą częstotliwością, czego nasze oko nie widzi. Fotorezystor może już w pewnym stopniu wychwycić takie miganie. Użycie oscyloskopu pozwala podejrzeć więcej szczegółów:

Zakłócenia od świetlówki widziane przez fotorezystor

Zakłócenia od świetlówki widziane przez fotorezystor

Chcemy mierzyć wyłącznie napięcie stałe, a te zafalowania niepotrzebnie zaburzają wynik. W tej sytuacji również koniecznie trzeba zastosować filtr, najlepiej tuż przed samym przetwornikiem A/C. Musi on tłumić szerokie spektrum zakłóceń (najlepiej jak największe).

Oto przykładowe rozwiązanie:

Oto potwierdzenie, że sytuacja uległa poprawie:

Pomiar z użyciem dolnoprzepustowego filtru RC

Pomiar z użyciem dolnoprzepustowego filtru RC

Osoby zainteresowane samodzielnym odtworzeniem tego typu ćwiczeń znajdą wszystkie niezbędne informacje w kursie Arduino, a konkretnie w części na temat przetwornika ADC w Arduino:

Kurs Arduino – #4 – Przetwornik ADC
Kurs Arduino – #4 – Przetwornik ADC

W poprzednich częściach kursu zajmowaliśmy się odczytywaniem sygnałów cyfrowych. Dzięki temu mogliśmy np.: sprawdzić, czy przycisk został... Czytaj dalej »

Czas reakcji filtru

Niestety, dodanie filtru ma pewną wadę. Otóż każdy (dosłownie każdy) filtr cechuje się pewnym czasem reakcji. Należy to rozumieć jako czas pomiędzy wprowadzeniem zmiany na wejściu (np. nagłym przysłonięciem fotorezystora) a zarejestrowaniem tej zmiany na wyjściu. Po prostu filtr musi się „zaadaptować” do nowych warunków. Najczęściej ta zwłoka nie robi nam różnicy, ale czasami może znacząco wpływać na działanie układu.

Podsumowanie

Dolnoprzepustowy filtr RC to bardzo prosty, ale niezwykle ważny układ. W praktyce najczęściej spotyka się go właśnie przy okazji eliminacji drgań styków, ale ma też wiele innych zastosowań. Warto więc zapamiętać przynajmniej jedną z jego konfiguracji.

Czy wpis był pomocny? Oceń go:

Średnia ocena 4.9 / 5. Głosów łącznie: 177

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 uproszeń, 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

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…... Czytaj dalej »

filtr, fotorezystor, kondensator, RC, rezystor

Trwa ładowanie komentarzy...