Filtr: LC

 Filtr: LC

 Filtry skupione LC z najmniejszymi elementami SMD pracuja do czestotliwosci 3 GHz. Indukcyjnosciami sa odcinki sciezek plyty drukowanej PCB.
Mala cewka w tunerze TVC na zakres UHF ( 470- 870 MHz ) ma 2 zwoje. Na nizsze zakresy cewka ma kilka zwoi.

Indukcyjnosci na rdzeniach ferrytowych stosowano do sygnalu akustycznego w filtrze antyaliasingowym w Telefonii Nosnej i Telefoni PCM. Bell filtry te zastapil hybrydowym filtrem aktywnym RC ze wzmacniaczami operacyjnymi w 1976 roku.
Kubkowy rdzen ferrytowy takiego filtru ( z regulowanym rdzeniem ) jest niemaly a dla uzyskania najwiekszej dobroci uzwojenie ma wypelnic caly karkas. Filtr taki byl dosc drogi i duzy. Zatem zastapienie go filtrem aktywnym RC bylo racjonalne. Ale z kolei filtr aktywny RC jest teraz wypierany przez scalony filtr z przelaczanymi pojemnosciami.
 
W kraju indukcyjnosci do toru IF  ( 455 KHz , 10.7 MHz i 38 MHz ) ale tez obwodow wejsciowych odniornikow AM produkowano w obudowach 12x12 mm i podwojnej demodulatora 12x28, potem 10x10 a wraz z licencja Sanyo na odbiornik Elizabeth na licencji rozpoczeto produkcje rozmiaru 7x7. Cewki tez maja trzycyfrowe oznaczenie. I tak 1XX sa do IF 465 KHz, 2XX do IF 10.7 MHz , 3XX wejsciowe i heterodyny fal dlugich i srednich. 4XX fal krotkich a 5XX do torow IF 38 MHz.
W serii  5XX najlepsze parametry sa przy indukcyjnosci okolo 1 uH ale sa tez cewki o indukcyjnosci 0.6 i 2.6 uH.
Czesc obwodow ma wbudowany kondensator. Podobne obwody produkowano w swiecie. Trudno powiedziec czy zmalpowano linie Sanyo ale raczej tak bowiem przeciez licencjonowane uklady scalone stosowano w odbiornikach AM-FM.
Oczywiscie obwody tez mozna uzyc do swojego projektu w innym celu niz dedykowany.

W Japonii sa produkowane indukcyjnosci wygladu opornika z zakresu 0.1 uH-10 mH. Sa stosowane w malo wymagajacych filtrach i nade wszystko w obwodach filtracji zasilania. Maszyny CNC obsadzajace plyty drukowane elementami pracuja w Japonii od przelomu lat 60/70 i te indukcyjnosci staly sie logiczna koniecznoscia. Wyglad opornika maja tez zwory 0 Ohm.
Z racji wielkomasowej produkcji indukcyjnosci te sa tanie. Zaplecze podzespolowe Japoni do ofensywy przemyslowej na rynki swiata jest wszechstronnie bardzo mocne.
Maszyny montuja tez male cewki powietrzne do tunerow sporzadzone z drutu.   

Selektywny filtr LC musi miec Zera czyli jest filtrem eliptycznym ( Cauera ) lub podobnym. Transmitancje takiego filtru mozna rozwinac w drabinke na dwa pokazane sposoby.
W filtrze dolnoprzepustowym drugie rozwiazanie jest lepsze poniewaz ma mniej drogich indukcyjnosci.  W tym rozwiazaniu wybieramy zawsze parzysta ilosc cewek bowiem kazda realizuje wtedy Zero i filtr jest najekonomiczniejszy i latwy do strojenia, szczegolnie automatycznego. 

Filtr srodkowoprzepustowy uzyskamy zastepujac w prototypie dolnoprzepustowym indukcyjnosc szeregowym dwojnikiem LC a pojemnosc rownoleglym dwojnikiem LC. Poniewaz chcemy aby filtr byl jednoczenie dopasowaniem a iloraz indukcyjnosci byl niewielki stosuje sie odwracanie ukladu L i zamiane gwiazdy C lub L na trojakt lub odwrotnie. Operacje takie dla prototypowego filtu dolnoprzepustowego Butterwortha zamienionego w pokazny  filtr pasmowy pokazano na rysunku.

 Od lat sa dostepne programy do projektowania standardowych filtrow LC i powtarzanie informacji nie wnosi nic nowego. Zatem watek trzeba pominac szukaja gdzies "wartosci dodanej" !

Bell Laboratories konstruujac swoj pionierski system PCM24 wybral stosowana do dzis czestotliwosc probkowanie 8 KHz nawiazujac do Telefoni Nosnej.  Zatem filtr antyalisingowy nie powinien przepuscic sygnalu ponad 4 KHz bowiem skutkiem probkowania sygnal 4.1 KHz zostanie aliasingiem zamieniowy na zaklocajacy 0.1 KHz. I tak dalej.  
Zrozumialosc mowy spada przy ograniczeniu pasma od dolu a szczegolnie od gory. W uchu ludzkim wystepuje zjawisko maskowanie sygnalow i inne efekty. Bell przeprowadzil pionierskie badania z udzialem ludzi nad wymaganym filtrem antyalisingowym do PCM. Lagodniejsze sa wymagania na odbiorczy  filtr rekonstrukcyjny.
 Zastosowano filtr quasi eliptyczny o pokazanej konfiguracji z dwoma indukcyjnosciami. Oczywiscie im lepszy jest filtr tym szersze jest jego pasmo w strone nieprzekraczalnych 4 KHz ale wynik 3.4 KHz jest bardzo dobry.
W latach siedemdziesiatych CCITT w swojej normie podal wymagania na filtr antyalisingowy do telefonii PCM  i na filtr rekonstrukcyjny. Grupy tematyczne CCITT publikuje w ksiegach Zielonej, Pomaranczowej, Niebieskiej. Wydaje sie ze normy powinny stanowic potezne pionierskie koncerny bo stafaz biurokratyczny tylko opoznia sprawe.
Tym filtrem LC nie ma powodu sie zajmowac bowiem zostal wyparty przez aktywny filtr RC a ten jest usuwany z pozycji przez scalony filtr z przelaczanymi pojemnosciami.

Bell dawno wprowadzil szybkie wybieranie tonowe obecnie nazwane Dual Tone Multi Frequency czyli DTMF. Z 16 kodow faktycznie uzywanych jest tylko 10. W aparacie telefonicznym byly dwa tranzystorowe generatorki a  dwa transformatorki – indukcyjnosci generatorow LC  mialy odczepy do zalaczania kondensatora na odpowiednia czestotliwosc przez klawiature aparatu aby oszczedzic na kondensatorach. Zdumiewa ( patent !)  pomyslowosc prostej realizacji tego aparatu.
W dekoderze DTMF w centrali uzywane byly fitry LC. Rowniez ich realizacja byla bardzo inteligenta. Mimo uplywu czasu taki dekoder nadal jest uzywany w centralach E-10.  Obecnie dekodowanie wykonuja scalone uklady majace fitry z przelaczana pojemnoscia. Scalony koder – nadajnik  do aparatu telefonicznego jest jeszcze prostszy i tanszy. Filtry LC stracily zastosowanie w dekoderze i koderze.

W pierwszej generacji scalonych dekoderow MPX do wydzielania podnosnej uzywano filtrow LC na  19 i 38 KHz. W kolejnej generacji dekoderow MPX o duzo lepszych parametrach zastosowano petle PLL. Filtry LC odeslano do lamusa.

Podobny jak w PCM24  quasi – eliptyczny filtr LC  MPX jest stosowany za Stereodekoderem w odbiorniku UKF FM. Najlepsze takie filtry maja pasmo 15 KHz przy spadku charakterystyki o 0.5 dB. Filtry tego rodzaju oferuje Murata zarowno jako aktywne oraz jako filtr LC.  Alternatywnie realizowane sa z elementow LC na PCB lub aktywne z RC i OPA
Jedno Zero tego filtru MPX musi byc umieszczone na podnosnej 19 KHz (ale sa juz skomplikowane scalone dekodery kasujace nosna 19 KHz filtrem adaptacyjnym !) a drugie Zero na 38 KHz bowiem tam jest przesuniete modulacja widmo sygnalu akustycznego L-R a jak wiadomo ono ma charakter spectrum 1/f.
Filtr ten jest konieczny bowiem bez filtracji wzmacniacz mocy wnosi slyszalne intermodulacje a przy maksymalnym podniesieniu wysokich tonow przy pelnej mocy przeciazany jest glosnik wysokotonowy. Niemozliwy jest tez poprawny zapis audycji na magnetofon szczegolnie z jakimkolwiek kompanderem, na przyklad Dolby.
Na rysunku pokazano filtr LC MPX jednego kanalu stereofonicznego o liniowej fazie.

Co oznacza quasi eliptyczny ? Aproksymacja eliptyczna ma w pasmie przepustowym definicyjne rownomierne pulsacje i tak samo definicyjne inne rownomierne pulsacje w pasmie zaporowym.
Tymczasem energia zwalczanych zaklocen jest zwiazana w systemach radiowych (ale nie tylko ) glownie z nosnymi. Chcemy aby tam znalazly sie Zera filtru nawet kosztem nierownomiernego tlumienia w pasmie zaporowym ! W przypadku kanalu telewizyjnego z jednej strony silnym zakloceniem jest nosna foni nizszgo kanalu a  drugiej strony nosna wizji wyzszego kanalu. Zawsze na tych czestotliwosciach byly zargonowe "pulapki" czyli Zera transmitancji.

Sporo filtrow LC jest w kazdym magnetowidzie. Przykladowo sygnal luminacji jest przed podaniem do modulatora FM ograniczony w pasmie do ca 2.3 MHz.

We wszelkich odbiornikach selektywnosc realizowano filtrami LC ( takze z dodanymi rezonatorami kwarcowymi )  w torze posredniej czestotliwosci IF. Z tej jego poteznej roli wyparly go filtry ceramiczne i SAW. Choc temat tych filtrow jest teoretycznie ciekawy to jest juz martwy i nie ma powodu aby sie nim zajmowac. Natomiast filtr SAW projektuje sie programem podobnie jak programowy – cyfrowy filtr FIR.
Bell nie rozwija juz systemow nosnych i od 1982 postawil na lacznosc cyfrowa swiatlowodami. Zajmowanie sie wiec filtrami do TN jest jalowa strata czasu bo jest pewne ze i w Polsce nie beda one rozwijane.

Teraz sa nowe czasy systemow telewizji kablowej CATV i nowe problemy.
Gorna czestotliwosc systemow CATV ciagle rosnie bowiem potrzeba coraz wiecej i wiecej kanalow - programow. Pasmo VHF III konczy sie na 230 MHz. Wydawalo sie ze rozszerzenie go w  gore kanalami kablowymi S az do 420 MHz nasyci apetyt ale sa juz sieci CATV "konczace" sie na koncu UHF.
Powstal problem z kanalami lustrzanymi  odleglymi tylko o  2 x IF i intermodulacjami.
Dodatkowym problemem jest szerokosc tych przestrajanych zakresow.
Filtr LC przez tranzystorem plus filtr pasmowy za tranzystorem wzmacniacza RF moze miec odpowiednie tlumienie sygnalu lustrzanego przy stalym pasmie ponizej 14 MHz w calym zakresie. 

Jedynym elementem majacym wystarczajaca liniowosc ( po wspomozeniu filtrem wejsciowym ) i zdolnosc regulacji AGC przy niewielkiej zmiennosci pojemnosci  jest tranzystor Mosfet z podwojna bramka.  Tranzystor BF996 ma przy czestotliwosciach 200 / 800 MHz wzmocnienie 25/18 dB i szumy 1/1.8 dB. Czyli jest znakomity
Na wykresie pokazano jego admitancje wejsciowa. Jest to w przyblizeniu pojemnosc z szeregowa opornoscia.    

Impedancja cewek strojonych diodami pojemnosciowymi filtrow LC jest proporcjonalna do czestotliwosci. Chcac utrzymac stale pasmo filtru efektywna opornosc rownoleglego tlumienia obwodu LC ma rosnac z kwadratem czestotliwosci.
 Po sprzezeniu tej impedancji Mosfeta z wejsciowym filtrem LC jego dobroc silnie zmaleje ze wzrostem czestotliwosci czyli pasmo filtru mocno wzrosnie czyli pozadanego rezultatu na pewno nie otrzymamy. 

Na wykresie pokazano admitancje wyjsciowa. Jest to pojemnosc z opornoscia. 

Sytuacja jest podobna jak z wejsciem ale nie tak trudna
Czy jest jakies rozwiazanie. Na rysunku jest przykladowy schemat toru UHF glowicy CATV.

Wejsciowy filtr LC zbudowano z cewka L2004. Sygnal wejsciowy 75 Ohm podano cewka L2003 o wiekszej indukcyjnosci. Latwo zauwazyc ze tlumienie dzielnika L2004 z opornoscia sygnalu 75 Ohm rosnie z czestotliwoscia  dajac stale pasmo obwodu LC  z tego punktu widzenia.
Obwod jest przestrajany glowna dioda pojemnosciowa CD2006 a dioda pojemnosciowa CD2007 tworzy dodatkowo z pojemnoscia bramki Mosfeta dzielnik. Im wyzsza jest czestotliwosc tym bramka mniej tlumi obwod  LC. Stalosc pasma jest zachowana z dokladnoscia ponizej 20% co jest wynikiem doskonalym.
Od strony drenu tranzystor jest sprzezony z filtrem pasmowym kondensatorem CC2016. Tworzy on dzielnik z rownoleglym obwodem skladajacym sie z pojemnosci ( ze stratnoscia ) drenu i indukcyjnosci L2016 majacymi rezonans przy czestotliwosci okolo 300 MHz. Zatem pojemnosc drenu z ta cewka rosnie z czestotliwoscia i wyjscie Mosfeta coraz mniej tlumi pierwszy obwod filtru pasmowego. Sygnal z drugiego obwodu LC filtru pasmowego wyprowadzono do mieszacza cewka L2022 na tej samej zasadzie co w filtrze wejsciowym
 Pozostala do rozwiazania sprawa sprzezenia obwodow LC filtru pasmowego. Sprzezenie to wykonano cewka L2019 z kondensatorow szeregowych z diodami pojemnosciowymi tworzacymi z nimi zmieniane dzielniki. Pasmo filtru pasmowego  jest zachowane w calym zakresie z dokladnoscia ponizej 20% co jest wynikiem doskonalym.

Zadaniem selektywnego wzmacniacza RF LC jest odciecie kanalu lustrzanego i uzyskanie  najnizszego poziomu szumow i intermodulacji. Wejsciowy filtr tlumi sygnal uzyteczny ale obniza moc niepozadanych sygnalow wokol sygnalu pozadanego docierajacych do bramki Mosfeta. Zatem dobroc tego obwodu musi byc wybrana kompromisowo. Moc zaklocajacych sygnalow docierajacych do mieszacza jest dodatkowo mocno obnizona filtrem pasmowym a jest on podatny na intermodulacje. Wyjasnia sie sens podzialu filtracji na prosty filtr wejsciowy i filtr pasmowy.
Czy latwo jest opracowac taki uklad ? Plytka drukowana z ukladem jest polaczona z przyrzadami a te interfejsami  z komputerem. Po pierwsze trzeba nastroic cewki i pojemnosci. Program podaje przetwornikiem DAC napiecie strojace i mierzy charakterystyki w wielu punktach  i instruje operatora co ma robic. Po zmierzeniu charakterystyk przy kilku wzmocnieniach ( AGC ) zebrane dane daje sie procedurze optymalizacji. Jej wynik – Zwiekszyc pojemnosc ta i ta, zmniejszyc ta i ta. Zwiekszyc nieregulowana indukcyjnosc.. I znow po zmianach seria pomiarow. Oczywiscie wiekszosc pomyslow nie daje pozadanego rezultatu i naukowcom - inzynierom musi sie "przysnic" wlasciwa konfiguracja.

Tlumienosc kabla koncentrycznego powyzej pewnej czestotliwosci rosnie w skali logarytmicznej z pierwiastkiem czestotliwosci. Niezaleznie od tego czy przesylamy analogowy sygnal Telefoni Nosnej, sygnal telewizji kablowej CATV czy sygnal cyfrowy trzeba equalizerem odwrocic tlumiennosc kabla.

W Bell Laboratories idee equalisera opracowano juz w latach trzydziestych. Jest ona uzywana bez zmian. Ma on stala opornosc falowa wejsciowa i wyjsciowa co przy duzych czestotliwosciach jest cenne.
Bell w BSTJ September 1966, Vol XLV dal szczegolowy opis eksperymentalnego miedzywybrzezowego traktu o przeplywnosci az 224 Mb/sec. Kabel koncentryczny o srednicy 0.27 cala w odcinku 5320 stop  miedzy regeneratorami ma przy czestotliwosci  F=112 MHz tlumienie 57 dB czyli az 500 razy.  Kabel o srednicy 0.375 cala uzywany jest w odcinkach 1.4 raza dluzszych. Linia ma az 4000 tysiace regeneratorow ! Uzyto prostego kodu kanalowego PST. Obecnie sa w takim zastosowaniu uzyte troche lepsze kody. Na wykresie pokazano widmo sygnalu PST. Szczytowa gestosc ma on przy czestotliwosci okolo 98 MHz a wiec troche mniejszej niz polowkowa 112 MHz.
Kabel koncentryczny musi byc bardzo szczelny aby nie dostawaly sie nadawane sygnaly telewizyjne z zakresu VHF i UKF FM.

Odebrany sygnal jest liniowo wzmocniony i poddany bardzo trudnej equalizacji. Na wykresie pokazano makabrycznie szybko rosnace tlumienie stosowanego odcinka kabla wspolosiowego oraz charakterystyke ekwalizacji i wypadkowa charakterystyke calosci. Wzmocnienie podnoszone jest do czestotliwosci 190 MHz ale glownie chodzi o male znieksztalcenia liniowe traktu z ekwalizacja

Mimo iz wypadkowa charakterystyka czestotliwosciowa toru nie jest bynajmniej plaska i rewelacyjna to znieksztalcenia liniowe referencyjnego sygnalu kosinusoidalnego sa calkiem male. I o to wlasnie chodzi. Nie podano jak zoptymalizowano equaliser ale z pewnoscia z uzyciem programu komputerowego. 

Na rysunku pokazano zlozony equaliser odbiorczy repeatera. Obrazowo – gornym obwodem szeregowym LC sygnal przechodzi coraz mocniej przy wzroscie czestotliwosci a moc czesci zbednego sygnalu pochlania opornik z szereg z dolnym rownoleglym obwodem  LC.
Obydwa obwody sa na ta sama czestotliwosc rezonansowa tuz powyzej maksymalnej ekwalizacji.
Wzory do projektowania sa znane ale trzeba parametry kaskady obu equaliserow tak dobrac aby pasowaly  do tlumienia przewodu.  

Sygnal z glowicy twardego dysku tez trzeba poddac equalizacji ale glownie fazowej ( troche amplitudowej ) co wynika z wlasnosci glowicy i samego zapisu magnetycznego.  HP podaje ze dzieki tej equalizacji stopa bledow odczytu spada conajmniej 100 krotnie.
Na wejsciu i na wyjsciu equalisera sa standardowe obwody korektorow fazy z charakterystycznie skrzyzowanymi kondensatorami. W srodku jest filtr dolnoprzepustowy. Wzmacniacz szerokopasmowy ma wyjscie symetryczne i stad symetryczna budowa equalisera.
Uklad mozna symulowac programem MicroCap lub kazdym innym. 

Charakterystyka nie jest bynajmniej zachwycajaca ale rezultat jest osiagniety.  

Korektor fazy mozna tez wykonac scalony z elementami RC i szerokopasmowym prostym OPA. Gwaltowny wzrost produkcji twardych dyskow z pewnoscia skloni firmy mikroelektroniczne do dzialania.

W zasilaczu impulsowym SMPS skladowa asymetryczna czyli common zaklocen powstaje na pojemnosci miedzyuzwojeniowej transformatora mocy. Skladowa symetryczna zaklocen powstaje na opornosci i indukcyjnosci kondensatora prostownika. "Filtr" przeciwzakloceniowy ma dwu uzwojeniowy dlawik common na rdzeniu ferrytowym i kondensatory gatunku X pracujace na napieciu sieciowym. Zaklocenia niesymetryczne tlumi kondensator Y i glowna indukcyjnosc dlawika a zaklocenia symetryczne jego indukcyjnosc rozproszenia i kondensatory X.
  Nazwa "filtr" w ogole nie pasuje do poetyki filtru LC. Totez programem symulacyjnym i doswiadczalnie dobrze jest sprawdzic zachowanie takiego filtru z roznymi sieciami energetycznymi aby uniknac przykrego rozczarowania, kosztow i straty czasu.
Postep w dziedzinie ferrytow ciagle trwa i coraz lepsze sa tez materialy dla dlawikow common. Dla  duzych mocy perspektywiczne wydaja sie jednak rdzenie ze szkiel metalicznych.
W Japonii eksportujacej ogromne ilosci wysokiej jakosci odbiornikow telewizyjnych ( kazdy ma zasilacz impulsowy ) proces produkcji tych dlawikow zautomatyzowano. Przy takiej dysproporcji technologii, eksportowa ofensywa Japoni doprowadzilaby do zniszczenie wszystkiego co nowoczesne w zachodniej gospodarce. Ostra, dyscyplinujaca Japonie interwencja USA byla koniecznoscia.

W zlozonych systemach istnieje koniecznosc filtrowania napiec zasilania tak aby sygnaly z obwodow mocy nie przedostaly sie do obwodow sygnalowych. Uzyteczne sa filtry LC  ( jako indukcyjnosc takze perelka ferrytowa ) ale trzeba pamietac o silnym stlumieniu obwodu rezystancja ESR kondensatora elektrolitycznego. Kazdy uklad LC moze byc przeciez rezonansowy.
W ukladach szerokopasmowych problem z zasilaniem mocno przybral na wadze. Zalozmy ze zasilanie do wzmacniacza mocy RF podano przez przez stlumiony obwod LC. Gdy jest to wzmacniacz szerokopasmowy na impedancji zasilania wytworzy on pewne napiecie modulujace jego wlasnosci.
Rozwiazaniem jest zasilanie o ekstremalnie malej, w szerokim zakresie czestotliwosci, impedancji. Na sciezce PCB zasilania do GND sa przylegajace do siebie kondensatory o wzrastajacych pojemnosciach lub stalych pojemnosciach. Przypomina to odrobine filtr eliptyczny w pierwszej postaci z paro milimetrowymi sciezkami jako indukcyjnosciami . Kondensatorek ma szeregowa wewnetrzna indukcyjnosc ( i tlumiaca rezystancje) a sciezka miedzy kondensatorkami to gorna indukcyjnosc. To kolejny bardzo dziwny filtr. Z kondensatorkami SMD mozna pracowac z takim zasilaniem do ponad 1 GHz. W Notach Aplikacyjnych pojawily sie juz takie rozwiazania. Znow symulacja programem komputerowym upewni nas ze wszystko jest w porzadku.

Silniki napedow w maszynach CNC i robotach sa zasilane sygnalem mocy  PWM z inwertera tranzystorowego lub przez tyrystorowy sterownik fazowy. Filtrem elektryczym jest indukcyjnosc silnika a masa i elastycznosc sa filtrem mechanicznym.
Pulsujacy z podwojna czestotliwoscia sieci energetycznej moment w mierniku napiecia zmiennego czy mocy jest filtrowany mechanicznie.

Krytyczne systemy komputerowe sa zasilane z urzadzen UPS ( Uninteraptible Power Suply ) z akumulatorem jako awaryjnym zrodlem energii na kilka minut pracy komputerow. Proste urzadzenia UPS maja quasi prostokatne napiecie wyjsciowe ale lepsze urzadzenia maja inverter PWM a indukcyjnoscia w wyjsciowym filtrze LC jest indukcyjnosc rozproszenia transformatora. Pulsacje PWM w wyjsciowym napieciu sa calkiem male.       

Filtry LC sa stosowane w zwrotnicach glosnikowych w kolumnach glosnikowych. Optymalizacja tych filtrow nie jest bynajmniej trywialna ( glosnik nie jest opornikiem ale zmienna impedancja ) jako ze uzyskany efekt ( tor zawiera glosniki ) trzeba zmierzyc w komorze bezechowej. Cewki najczesciej sa bezrdzeniowe. Ich ksztal wybieramy dla oszczednosci drogiej miedzi. Cewki te maja wiecej miedzi niz cewki samych glosnikow.
W tym przypadku "wartosc dodana" z filtru LC uzyskamy w doskonale brzmiacej kolumnie glosnikowej, ktorej filtry LC sa elementem.