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

[kaminski-tomek]

@Gieneq dzięki za wytłumaczenie  Mam jeszcze kilka pytań:

 

Jak te prądy się rozchodzą na rysunku pod AC?  W sensie, co tam jest źródłem napięcia, a co masą? Jeżeli 10k jest zwarty do masy, to czy oba rezystory nie są połączone szeregowo?

[Gieneq]

@kaminski-tomek może tego nie podkreśliłem, ale specjalnie nie rysowałem przycisku. Jak patrzysz na symbol przycisku, to po wciśnięciu wygląda jakby był zwarty do masy, a w rzeczywistości odbywa się tam szereg przełączeń dlatego można to uznać za taki jakby generator co widać na oscyloskopie.

3 godziny temu, kaminski-tomek napisał:

W sensie, co tam jest źródłem napięcia, a co masą?

To jest tzw. czwórnik, po prawej wchodzi sygnał, po lewej wychodzi, masa na dole. W DC masz napięcie stałe ze strzałką. W AC nie ma napięć stałych więc nie ma też nic ze strzałką do góry, tylko są zwarte do masy - połączone z masą.

Też się trochę zastanawiałem jak Ci narysować ten filtr, bo ten przypadek jest trochę nieszczęśliwy. Zazwyczaj filtry są w torze sygnału ze źródła do odbiornika i tam tylko sprawdzasz jaki jest sygnał. A przycisk to taki mechaniczny generator... dlatego nie narysowałem jego interpretacji. Ale równie dobrze, po prawej stronie mógłbyś mieć źródło zasilania w którym masz zarówno część stałą i część zmienną prądu i każdą z nich interpretujesz osobno.

Dlaczego są 2 części tego źródła? Czysty przebieg AC to sinusoida oscylująca wokół 0 tzw. napięcie symetryczne. Zaś to co jest na wyjściu przycisku to szpilki od 0V do napięcie zasilania np 5V. Czyli nie oscylują wokół 0 - jest to tzw. napięcie niesymetryczne.

Sygnał ten składa się z wielu sinusoid dlatego pisałem że widać na oscyloskopie te 2us ale tak naprawdę to tylko taki ogólnik, bo największe szczęstotliwości mogą mieć okres 10x mniejszy, żeby po nałożeniu stworzyć ostre uskoki przebiegu prostokątnego:

Więc sygnał z przycisku można przedstawić jako szeregowe połączenie źródła DC 2,5V oraz źródła AC o wielu częśtotliwościach, wartości średniej 0 i amplitudzie 2,5V.

 

Wiem że sporo tego, temat nie jest łatwy, akurat dobrze trafiłeś bo ostatnio trochę przy tym siedzę  Jak coś dalej jest niejasne to śmiało pytaj - nie jestem mistrzem trafnych odpowiedzi, nie poddawaj się i jakoś może uda się wyjaśnić.

[kaminski-tomek]

@Gieneq super, dzięki za wyjaśnienie spróbuje sobie jeszcze zasymulować to w circuitjs, zauważyłem, ze najwiecej mi się rozjasnia gdy zobaczę co, gdzie i jak się przemieszcza w tych obwodach

[danielll]

Jeśli będę chciał zrobić układ eliminujący drgania styków z pulldownem to będzie to wyglądało tak?

[Gieneq]

@danielll mam czas to postaram się odpowiedzieć lepiej na to pytanie niż: tak  czegoś się nauczę i może potomnym się przyda.

Zakłócenia

Wyjdźmy od tego jak wyglądają zakłócenia z którymi musimy sobie poradzić:

Przyznam, że zrobienie zakłóceń nie zawsze jest proste i zdecydowana większość naciśnięć kończyła się czystym przełączeniem. Niektóre kończą się pojedynczym dołkiem o czasie trwania 1us. Ale załóżmy że mamy tak fatalną sytuację jaką udało mi się tylko raz osiągnąć  Cały stan przejściowy trwa 14 działek czyli 280us.

Filtr

To co projektujemy to filtr dolnoprzepustowy, który przez swoją inercją (bezwładnością) spowoduje powolne narastanie napięcia w wykładniczy sposób. Częstotliwość graniczna filtru (czyli kiedy zaczyna porządnie tłumić sygnał i spada on o 3dB czyli 2^-0.5) musi wynosić minimum tyle ile 1/okresu zakłóceń. W tym bardzo złym przypadku jest to aż 280us więc f3dB = 3571 Hz. Ale jakbyśmy wzięli bardziej typowy przypadek np T=20us to mamy bardziej sensowne 50 kHz.

Dla filtru RC (górno i dolnoprzepustowego) stała czasowa T oblicza się ze wzoru na częstotliwość graficzną:

Dobór elementów RC

Musimy wybrać rezystor i kondensator. Rezystancję wybieramy tak, aby była dużo mniejsza od rezystancji tego do czego podłączamy nasz filtr - w tym przypadku jest to wejście mikrokontrolera, które jest no właśnie... wejściem. Czyli jest w stanie wysokiej impedancji. Już sama nazwa sugeruje, że impedancja czyli odpowiednik rezystancji dla sygnałów zmiennych jest duża i może wynosić np. 100k (ale pewnie więcej). Im większa rezystancja/impedancja wejściowa tym lepiej, bo jest traktowana bardziej jak rozwarcie - nie pobiera prądu, nie tworzy spadku napięcia na źródle. Później będzie pokazane dlaczego tak ma być.

Na schemacie od ST jest 10k, 470R, C = 220ns czyli częstotliwość graficzna to 1539Hz. Mamy zapas tłumienia, z taką częstotliwością zakłócenia mogą trwać nawet 650us.

Akurat nie miałem takich rezystorów to wziąłem 1k||1k = 500R oraz 2x100nF = 200nF stąd f₀ = 1592 Hz ale tym bym się tak nie sugerował, bo na płytce stykowej jest masa pojemności i rezystancji złączy.

Pomiary stałej czasowej

Pomiary dla obciążenia 100k:

Może kojarzysz wzór na kondensator, jak się go rozpisze to wychodzi z tego eksponent i dalej z tego wzór na stałą czasową.

Stałą czasową wyznacza się rozładowując układ, podając na niego skok (np włączając przycisk) i mierząc czas narastania napięcia. Stała czasowa to czas po którym sygnał osiągnie (1-1/e) napięcia zasilania w stanie ustalonym, czyli tu jest to:

Szukam więc tego napięcia i ustawiam kursor pionowy, aby przecięły się na charakterystyce. Mamy w ten sposób okres i nawet tuż obok częstotliwość i wyszło że częstotliwość graniczna to 10,6kHz. Oznacza to że nasz układ jest dość szybki i tak wolne sygnały jak T=280us niestety objawią się.

Ale i tak nie ma czego się bać, bo na wejściu mikrokontrelów pewnie są przerzutniki Shmitta z histerezą, które załatwiają wszelkie niejednoznaczności  

Nieco gorzej jest z wyłączaniem układu. Włączając, kondensator jest ładowany prosto ze źródła 3,3V przez kondensator 470R. A przy rozładowaniu trochę prądu ucieka do dużej impedancji, dużo więcej przez rezystory (10k+470R) które dominuje w połączeniu równoległym. Stała czasowa wyszła dużo większa:

Aż 2.04 ms czyli ponad 21 więcej.

Kondensator do masy?

Pierwsza moja myśl była czy to dobrze że kondensator jest przy zasilaniu. Ekspertem nie jestem, ale wydaje mi się, że jest to minimalnie gorszy pomysł. W analizie układów RC możesz rozbić sytuację na 2:

• analizę części stałoprądowej DC,
• analizę części zmiennoprądowej AC.

Tutaj DC to stany ustalone - przycisk jest od dawna włączony lub wyłączony, przy czym stan włączenia jest bardzo sporadyczny. AC to stan przejściowy w którym generowane są impulsy zakłócenia. Można też uwzględnić ewentualne tętnienia od zasilania. Przy analizie jednej części, drugą zwieramy do masy.

Czyli porównujemy 2 sytuacje:

Pierwsze pytanie, co się dzieje w stanie w którym układ jest przez większość czasu czyli DC przycisk wyłączony:

Niby to samo, kondensator jest dla DC rozwarciem czyli układ zastępczy to wypadkowa rezystancja do masy. Ale gdyby na zasilaniu pojawiły się tętnienia? Mamy po lewej filtr górnoprzepustowy, który przepuści częstotliwości powyżej 69Hz więc całkiem prawdopodobne że coś wpadnie. Po prawej tego nie ma.

Stan włączenia jest bardzo krótki żeby interesowały nas zakłócenia z zasilania, ale warto zwrócić uwagę, że rezystor 470R tworzy dzielnik napięcia z impedancją wejścia - na to zwróciłem uwagę wcześniej - dlatego sygnał nie osiągnie wartości napięcia zasilania i m.in dlatego tę rezystancję trzeba obniżać:

Czy tu rezystancja 10k ma jakieś znaczenie? Nieistotne, bo tworzy dzielnik z rezystancją wyjściową zasilacza, która pewnie jest znikomo mała.

W analizie AC zakłóceń od przycisku zwieram zasilanie DC do masy, wiec nie ma to znaczenia jak podłączymy kondensator, który zgodnie z planem jest dalej częścią filtru dolnoprzepustowego:

Przepraszam że długie, ale jak wspomniałem zaciekawił mnie temat i było to po części dla mnie samego

Pytanie do znawców, czy są jakieś zalety kondensatora przy zasilaniu? ST najpewniej się zna. Przeprowadziłem symulację w LTSpice i wyszło że nie ma to znaczenia dla samego przycisku, ale może coś jest w przedostawaniu się zakłóceń przez filtr górnoprzepustowy od zasilania? Tylko jakie to ma znaczenie jak na wejściu jest histereza.

[ethanak]

@Gieneq  świetnie - będzie do czego linkować jak się następny delikwent zgłosi z płaczem że mu przycisk źle działa

[farmaceuta]

No szacun @Gieneq  podpisuje sie pod tym co @ethanak napisal...

[Gieneq]

36 minut temu, ethanak napisał:

że mu przycisk źle działa

to się chyba schowa

@farmaceuta @ethanak  Ale dziękuję  

Jedna sprawa mnie jeszcze nurtuje ale może jak skołuję generator funkcyjny to ruszę temat, te drugie zbocze można przyspieszyć dodając diodę. W artykule jest schemat o taki:

Ale on do tego nie służy, za to można by zbudować coś podobnego do szybszego rozładowania kondensatora.

[H1M4W4R1]

11 minut temu, Gieneq napisał:

Ale on do tego nie służy, za to można by zbudować coś podobnego do szybszego rozładowania kondensatora.

Coś w tym stylu?

Edytowano Kwiecień 27, 2022 przez H1M4W4R1

[Gieneq]

@H1M4W4R1 bardzo ciekawy układ, fajnie wykorzystałeś rezystor przy emiterze - masz z tego źródło prądowe prawilnie ładujące kondensator  Tylko to już przerost formy nad treścią  

[danielll]

7 godzin temu, Gieneq napisał:

Na schemacie od ST jest 10k, 470R, C = 220ns czyli częstotliwość graficzna to 1539Hz. Mamy zapas tłumienia, z taką częstotliwością zakłócenia mogą trwać nawet 650us.

Pytanie do znawców, czy są jakieś zalety kondensatora przy zasilaniu? ST najpewniej się zna. Przeprowadziłem symulację w LTSpice i wyszło że nie ma to znaczenia dla samego przycisku, ale może coś jest w przedostawaniu się zakłóceń przez filtr górnoprzepustowy od zasilania? Tylko jakie to ma znaczenie jak na wejściu jest histereza.

Dodam tylko, że to nie jest od ST tylko moje, żebyście nie uznali że ST jakieś średnie rozwiązanie wciska 

Dzięki za wyjaśnienie

[RafalGuts]

Bardzo ciekawy artykuł jeszcze niewiele rozumiem. Ale może z czasem to się wszystko zazębi.  Plusem jest że to jest opisane w bardzo prosty sposób jak dla laika, bez tzw. mowy "Trawy". Co ułatwia zrozumienie z czasem tego tematu.

[Treker (Damian Szymański)]

@RafalGuts miło słyszeć, że artykuł Ci się podoba  Jeśli dopiero zaczynasz to sprawdź nasz kurs elektroniki i kurs Arduino. Ten artykuł (oraz podobne) traktuj jako uzupełnienie do kursów.

[kubadabro_]

Witam, nie do końca rozumiem dlaczego w filtrze RC dolnoprzepustowym po przejściu przez rezystor prąd zmienny płynie tylko do kondensatora zamiast rozdzielić się zarówno do kondensatora jak i do wyjścia. Z góry dziękuję za odpowiedź

[ReniferRudolf]

18 godzin temu, kubadabro_ napisał:

dlaczego w filtrze RC dolnoprzepustowym po przejściu przez rezystor prąd zmienny płynie tylko do kondensatora zamiast rozdzielić się zarówno do kondensatora jak i do wyjścia

Ja to sobie tlumaczę w taki sposób. Mam nadzieję, że ktoś poprawi, jeśli się gdzieś źle wyrażę

Prąd rozdzieli się w węźle w miarę "po równo", wtedy i tylko wtedy jeżeli obydwie gałęzie wychodzące z węzła w obwodzie elektrycznym "stawiają podobny opór".

W przypadku, o który pytasz, prąd ma do wyboru gałąź, w której jest tylko kondensator oraz gałąź wyjściową filtra, która łączy się np. z pinem wejściowym mikrokontrolera.... 

Kondensator to taki element, który dla prądu (sinusoidalnie) przemiennego "stawia tym mniejszy opór":
- im większa jest częstotliwość prądu przemiennego,
- im większa jest pojemność kondensatora.

Prąd stały przez kondensator nie przepływa.

Natomiast w najbardziej uproszczonej analizie obwodów elektronik przyjmuje wręcz zgrubsza, że kondensator to po prostu "zwarcie" dla prądu przemiennego! O ile częstotliwość prądu nie jest "bardzo mała" lub pojemność kondensatora nie jest "bardzo mała", bo jednak przy bardzo małej częstotliwości lub bardzo małej pojemności kondensator zaczyna "stawiać odczuwalny opór". No więc prąd przemienny w tym przypadku "płynie przez zwarcie"! A prąd stały lub ewentualnie prąd o małej częstotliwości popłynie na wyjście filtra.

Pisałem tu "stawia opór" w cudzysłowie, bo chodzi tu o tzw. impedancję gałęzi obwodu. Co to jest i jak to się liczy jest nie tak trudne do rozkminienia na bazie matematyki ze szkoły średniej. Jeden z najlepszych poradników dla początkujących elektroników, którzy lubią matematykę, jest tu: https://eduinf.waw.pl/inf/prg/009_kurs_avr/index.php Wielki szacun za jakość tego opracowania zrobionego przez kadrę pedagogiczną z liceum w Tarnowie.

PS. I jeszcze podzielę się czymś, co kiedyś sprawiało mi problem pojęciowy: otóż PRZEZ strukturę kondensatora - w sensie ścisłym - NIGDY żaden prąd ani stały ani zmienny nie popłynie! Chyba, że dojdzie do katastrofy i nastąpi "przebicie" pomiędzy okładkami kondensatora. Natomiast kondensator w obwodzie prądu przemiennego naprzemiennie ładuje i rozładowuje swoje okładki - prąd naprzemiennie dopływa i odpływa z okładek w taki sposób, że patrząc na rozkład prądu i napięcia w gałęzi obwodu z kondensatorem, wygląda to w zasadzie dokładnie tak, jakby prąd "przepływał" przez element.