فیلتر

فیلتر

بارها نام فیلتر را شنیده اید.فیلترهوای موتور،فیلتر بنزین و...

همانگونه که از این نام و کاربرد های آن برمی آید برای تصفیه یک عنصر از عناصری است که از دید ما نامطلوب است و به آن نیازی نداریم و مزاحم و دست و پا گیرند و اگر شرشان کم نشود از سر ما ،نمی توان نتیجه مناسب و زیاد خوبی را گرفت . در الکترونیک از مدارهایی استفاده می کنند تا فرکانس های اضافی که از دید طراح مزاحم به حساب می آیند حذف و یا حد اقل کم رنگ تر شوند و توان فرکانس مطلوب بیشتر از توان فرکانس نامطلوب شود. برای ساخت فیلترها از اساس کار خازن و سلف در جریان AC و این قانون که هنگامی که ما دو مقاومت داشته باشیم جریان از مقاوتی عبور می کند که کوچک تر است .

فیلتر(صافی) 

ما اگر بخواهیم کار فیلتر را به چیزی تشبیه کنیم می توانیم به کار غربال تشبیه کنیم.همانگونه که ما با غربال ناخالصی های عدس را می گیریم،با فیلتر هم فرکانس هایی را که نیاز نداریم از بین راه شرشان را از سر خود کم می کنیم و تنها به فرکانس یا فرکانس هایی که نیاز داریم اجازه عبور و رفتن به خروجی را می دهیم.

.پس فیلتر فرکانسی مانند غربال برای ما فرکانس های نامطلوب را حذف می کند.امّا ما مانند غربال که انواع گوناگون دارد و هر یک برای غربال یک نوع محصول کشاورزی مفید است، فیلترهای گوناگونی داریم،البته همه آنها در چند دسته خلاصه می شوند.

چند فرمول که برای بحث لازم می شود

انواع فیلتر:

فیلتر بالا گذر

این فیلتر از عبور فرکانس های کمتر از فرکانسی معینی جلوگیری می کند.به این فرکانس معین فرکانس قطع گویند.این کار را با تضعیف فرکانس های پایین تر از فرکانس قطع انجام می دهد.

البته می دانید که برای این کار باید قطعه ای پیدا کنیم که بتواند در مقابل فرکانس های مختلف از خود مقاومت های مختلفی نشان دهد.اگر به خازن و سلف نگاه کنیم ،می بینیم که این کار را به راحتی برای ما انجام می دهند. هرچه فرکانس بالا تر رود و اگر راکتانس سلف تغییر نکند ،راکتانس سلف هم بالا می رود و سلف مانند یک مقاومت متغیر که با بالاتر رفتن فرکانس اهمش تغییر و به بالا می رود است .ولی خازن برعکس سلف است،اگر ظرفیت ثابت باشد و تغییر نکند و فرکانس بالا رود ، راکتانس خازن هم به سوی پایین میل می کند .بر طبق این دو نکته است که با کمک سلف و خازن فیلتر ها را می سازند .

برای اینکه به دلیل ارزانی و کم حجمی و راحتی بیشتر از خازن استفاده می کنند ؛ ما هم مبنای توضیحات را بر خازن می گذاریم و شروع به توضیح می کنیم.پس نکته بالا را در مورد خازن فر اموش نکنید.برای توضیحات بیشتر هم می توانید به جستارهای وابسته درپایین مقاله مراجعه کنید.

در متن های زیر از یک اصطلاح به عنوان فرکانس معین استفاده می کنم که برای درک آن این نکته را بخوانید.منظور از فرکانس معین فرکانس قطع ما است که توسط مقدار مقاومت و ظرفیت خازن در فیلتر های خازنی معین می شود. اگر به این عکس نگاه کنید می بینید که یک خازن بین منبع و خروجی قرار گرفته.

این خازن در مقابل فرکانس های پایین تر از یک فرکانس معین از خود مقاومت بالایی را نشان می دهد و هر چه این فرکانس کمتر شود از خود مقاومت بیشتری نشان می دهد و در مقابل فرکانس های پایین تر از آن فرکانس معین مقاومت کمتری از خود نشان می دهد.این اساس کار خازن در فیلتر است.اما مقاومتی که دو سر منبع را به هم وصل کرده باعث می شود هنگامی که راکتانس خازن از مقدار این مقاومت بیشتر شد جریان به منبع وصل شود ( برطبق این قانون که اگر ما دو مقاومت داشته باشیم که هر دو به یک خط جریان متصل باشند ، جریان میل می کند به سوی مقاومت کوچک تر).با وصل شدن جریان به منبع جریان از خازن نمی گذرد و مانند این است که خازن و مقاومت ما مانند یک کلید باز در مقابل ولتاژ منبع هستند به خروجی (البته جریان را هم به منبع باز می گردانند.البته جریان کمی از خازن می گذرد ولی ما به دلیل کم بودن این جریان و دادن یک توضیح آسان از توضیح آن می گذریم).واگر فرکانس ما بالا رود و راکتانس خازن پایین بیاید و راکتانسش کمتر از مقدار مقاومت مذکور شود ، این بار خازن مانند یک مقاومت کوچک عمل می کند و مقاومت مذکور مانند یک مقاومت بزرگ و جریان از خازن می گذرد و به خروجی می رسد. پس با یک فیلتر بالا گذر می شود به فرکانس های بالاتر از فرکانس معیینی با تضعیف کم اجازه عبور داد .

برای درک بهتر می توانید به کتابهایی که در مورد فیلترها نوشته شده مراجعه کنید.البته اکثر کتابهایی که در الکترونیک نوشته شده اجباراً از فیلترها هم مباحثی حتی کوتاه و جزئی ذکر می کنند.

فیلتر پایین گذر

باید در مورد فیلتر پایین گذر گفت که برعکس فیلتر بالا گذر عمل می کند.این فیلتر فرکانس های پایین تر از فرکانس معین را با تضعیف خیلی کمی از خود عبور می دهد و برای فرکانس های بالاتر از آن مانند یک مقاومت بزرگ عمل می کند.به عکس زیر نگاه کنید.

اگر نگاه کنید میبینید که در این مدار یک خازن دو سر منبع را به هم وصل می کند.پس اگر فرکانس ما از فرکانس معین بالاتر رود ،راکتانس خازن کم می شود و اگر فرکانس بالا رود راکتانس خازن هم بیشتر می شود . در این مدار بین منبع و خروجی یک مقاومت قرار دارد( اگر به بالا گذر و پایین گذر نگاه کنید میبینید که جای خازن و مقاومت در هر دو بر خلاف هم است).اگر راکتانس خازن بیشتر از مقدار مقاومت شود ، عبور جریان از مقاومت میسرتر است تا خازن و اگر راکتانس خازن کمتر از مقدار مقاومت شود ، عبور جریان از خازن میسر تر است .در صورتی که از خازن جریان برود به منبع برمی گردد و در صورتی که از مقاومت برود به خروجی می رود .

پس اگر فرکانس منبع از فرکانس معین بالاتر رود ،به دلیل اینکه راکتانس خازن کمتر می شود در مقابل مقدار مقاومت موجود در مدار، جریان از خازن به منبع باز گردانده می شود و به خروجی نمی رود .واگر فرکانس ما از فرکانس معین پایین تر باشد ،جریان از مقاومت عبور می کند و به خروجی می رود،چرا که خازن در مقابل آن مانند یک مقاومت بزرگ است نسبت به مقاومت موجود در مدار.این بود اساس کار این فیلتر.--بود و نبود من چه سود ،گر نکنم دمی حساب، که چرا زنده من و در این سرا بهر چه ام ‏۵ فوریهٔ ۲۰۰۹، ساعت ۰۹:۲۷ (UTC)

فیلتر میان گذر

اگر به تعریف فیلتر بالاگذر و پایین گذر نگاه کنید می بینید که همانگونه که از اسم این نوع فیلتر بر می آید ،این فیلتر تنها به فرکانسی خاص اجازه عبور می دهد و به فرکانس های بالاتر از آن و پایین تر از آن اجازه عبور نمی دهد.نخست فرکانس میانی را که مطلوب ما است انتخاب کرده و بعد با به کار بردن یک فیلتر پایین گذر و یک فیلتر بالاگذر فرکانس های بالا و پایین آن را حذف می کنیم.

مثال

اگر ما توسط یک فیلتر بالاگذر که فرکانس قطع آن 25khz است فرکانس های پایین تر از فرکانس قطع را حذف(یا به عبارت دقیق تر ضعیف)کنیم و بعد فرکانس خروجی را به یک فیلتر پایین گذر دهیم که فرکانس قطع آن 26khz و توسط آن فرکانس های بالاتر از 26khz را حذف کنیم ،انچه که می ماند فرکانس های بین 25khz و 26khz است. می بینید که به چه آسانی این کار انجام می شود.

فیلتر میان نگذر

اگر نگاهی به گزینه های قبلی بیندازید خواهید دید که کار این فیلتر چگونه است.
اگر متوجه شده باشید کار این فیلتر این است که بتواند یک محدوده فرکانسی را عبور ندهد ولی پایین و بالای این محدوده را عبور دهد.به فرض اینکه محدوده فرکانسی که می خواهیم حذف کنیم بین 25kh تا 26kh باشد ، ما نخست باید با یک فیلتر بالاگذر فرکانس های بالاتر از 26kh را که از منبع می آید عبور دهیم و بعد با یک فیلتر پایین گذر که آن هم مستقیماً به منبع فرکانس وصل می شود،فرکانس های پایین تر از 25kh را عبور دهیم.همانگونه که می بینید ما با این کار توانسته ایم با عبور دادن فرکانس های بالاتر و پایین تر از این محدوده فرکانسی از عبور آن جلوگیری کنیم.این کار مانند زمانی است شما می خواهید از یک استخر آب بردارید و بخشی از آب گل آلود است و شما با برداشتن آب از آنجایی که تمیز است،آب گل آلود را برنمی دارید.بعد از این کار با وصل کردن خروجی هر دو فیلتر ما یک خروجی داریم که محدوده فرکانسی میانی از آن حذف شده.

کاربردهای فیلترها

باید گفت که کاربردهای فیلترها گوناگون است و به یکی دو تا ختم نمی شود.یک فیلتر کارش تصفیه فرکانس مطلوب از فرکانس نامطلوب است.فرکانس مطلوب هم یعنی فرکانس دلخواه.

مانند: از فیلتر در تلوزیون ،رادیو،ماهواره،سنسورها،کامپیوترشما و ... استفاده می شود.برای دریافت یک فرکانس توسط یک تلوزیون شما نخست به یک آنتن نیاز دارید.اما این آنتن همراه فرکانس دلخواه شما فرکانس های دیگر را همدریافت می کند همزمان.پس شما باید نخست فرکانس مطلوب را از فرکانس های دیگر جدا کرده و تقویت کنید و تا تلوزیون شما یک شبکه را نمایش دهد. برای دریافت فرکانس فرستنده ماهواره مورد نظر خود در میان انواع فرکانس ها که توسط فرستنده های مختلف صادر می شود(راستی به یاد داشته باشید که بعضی از فرکانس ها ساخته طبیعت است)باید از فیلتر استفاده کرد.یک تلفن همراه هم از فیلتر برای این کار بهره می برد و فرکانس مطلوب را از میان انبوهی از فرکانس تفکیک می کند. در یک دستگاه تفکیت صدا هم از فیلتر استفا ه می شود(اکوالیزر یا اکولایزر).در این دستگاه برای اینکه یک فرکانس صوتی را تغیر فرکانس دهد و یا طول موجش را افزایش دهد ،نخست از فیلتر برای تفکیک آن از سایر فرکانس ها استفاده می کند. البته همانگونه که مشهود است بیشترین استفاده فیلتر امروزه در مخابرات است. البته در مدارهای کنترلی هم از فیلتر استفاده می شود. هرچند در لابه لای متن گاه و بی گاه اشاره کرده ام ولی دوباره اشاره می کنم که برای درک کار فیلتر باید نخست در موردراکتانس خازنی و سلفی خوب مطالعه کنید.چون کار فیلتر ها بر اساس این دو است.حتی فیلترهای شبیه سازی شده هم از این این مبانی پیروی می کنند. راستی بیایید یک کنترل بردارید و تلوزیون خود را روشن کنید(کنترل دستگاهی غیر از تلوزیون مورد نظر باشد).آیا تلوزیون شما روشن می شود؟ به نظر شما چراسازنده این کار را کرده؟!