Elektronik filtreler sinyal seçmek için kullanılan devrelerdir. Buna en basit örnek olarak radyolar verilir. Her bir radyo istasyonu farklı frekansta yayın yapar ve biz bu frekansları filtre devreler aracılığı ile seçer, dinleriz. Örneğin Kral FM, 11054 Mhz frekansta yayın yapmakta. Bu şu anlama gelir; elektrik sinyaline çevrilen ses sinyalleri daha sonra dijital bilgiye çevrilerek 11054 Mhz frekansa bindirilip gönderilir. Elektromanyetik dalganın genliğinin büyüyüp küçülmesi ile alıcının output unda farklı voltaj değerleri görülür. Bu dijital bilgi alıcıda tekrar analog bilgiye dönüştürülerek ses sinyaline geri çevrilir.
Her radyo istasyonu belli bir frekansta yayın yapar. Bu yüzden radyo istasyonlarının etrafa yaydıkları elektromanyetik dalgalar içindeki ses bilgileri birbirine karışmaz. Biz, radyomuzda kanal ararken bir filtre devresine bağlı butonu döndürerek frekansları seçeriz ve radyonun içerisinde bulunan diğer devreler bu frekans içindeki dijital bilgileri önce analog bilgiye daha sonrada ses sinyaline çevirir.
Şimdi filtreleme yönteminin temel mantığına bir göz atalım. Anolog filtrelemeler kapasitör, indaktör ve opamplar sayesinde yapılabilir. Biliyoruz ki kapasitörlerin ve indaktörlerin empedasları frekansa bağlı olarak değişkenlik gösterir. Bu durum empedası değişen devre elemanının üzerine farklı voltaj değerinin düşmesini sağlar.
Mesela bir kapasitörü örnek olarak ele aldığımızda, kapasitör üzerindeki frekansı arttırdıkça empedans 0′ a doğru yaklaşacaktır. Frekansı ne kadar azaltırsak empedans o kadar artacağından bu devre elemanının üzerine düşen voltaj değerleri de artacaktır. Madem kapasitör ve indaktörün frekansa bağlı olarak böyle bir karakteristiği var, o halde bu karakteristikten faydalanarak istediğimiz frekansa sahip voltaj değerini seçebilme şansımız olacaktır.
Analog filtreler aktif ve pasif olarak iki kısımda incelenirler. Pasif filtrelerde sadece indaktör ve kapasitör kullanılır. Aktif filtreler biraz daha kullanışlı olmakla birlikte OPAMP’ ların kullanıldığı devrelerdir. Bu yazımda sadece pasif devreleri anlatacağım. Aktif filtreleri ise ilerleyen zamanlarda inşaallah sizlerle paylaşmaya çalışacağım.
Pasif filtreler, dediğimiz gibi kapasitör ve indaktörlerle yapılan filtrelerdir. Pasif filtreler de kendi aralarında düşük geçirgen, yüksek geçirgen, band geçirgen ve band durduran filtreler diye sınıflandırılırlar.
- Düşük Geçirgen Filtre
Düşük geçirgen filtre, isminden de anlaşıldığı gibi düşük frekanslara sahip voltajlarda output voltajı oluşturur. Bu mantığı anlamak için bir kapasitör ve bir direnç kullanarak dizayn edeceğimiz bir devreyi analiz etmek yeterli olacaktır. Kapasitör üzerindeki frekans sonsuza giderken empedansı da sıfıra yaklaşacaktır. Bu da kapasitörün üzerine düşen voltajın sıfıra yaklaşması demektir elbette. Frekansı ne kadar düşürürsem kapasitör empedansı o kadar artar ve böylece üzerine düşen voltaj da artmış olur. Bu sayede voltaj frekanslarını seçerek voltaj genliği üzerine bindirilmiş bilgiyi alıcımın outputundan okuyabilirim.
Grafikte de görüldüğü gibi frekans arttıkça kapasitör üzerinde oluşan output voltajı azalacaktır. Bu grafiği daha keskin yapmak, kullanılacak devre elemanına göre farklılık gösterecektir. Mesela; bu devrenin aynısından çok sayıda cascate şekilde bağlarsak şu grafiği elde ediyoruz;
Görüldüğü gibi bu grafikte daha keskin bir frekans karakteristiği elde ettik. Fakat grafik biraz daha sola kaydı yani geçirgen taraf daha da kısaldı. Frekasns grafiğinii devre elemanlarının değerleri ile oynayarak da değiştirebiliriz. Mesela Kapasitörümüzün değerini 10F olarak seçer isek şu grafiği elde ediyoruz;
- Yüksek Geçirgen Filtre
Bu filtre ise yüksek frekansa sahip voltajları geçirir. Düşük geçirgen ile aynı elemanları kullanacağız. Fakat burada output olarak kapasitör üzerindeki voltajı değil de direnç üzerindeki voltajı alacağız. Bu sayede kapasitör empedansı ne kadar azalırsa direnç üzerine düşen voltaj o kadar artacak ve kapasitör empedansı ne kadar artar ise direnç üzerinden okuduğum output değeri sıfıra yaklaşmış olacak.
Evet. Tabi ki frekansa bağlı olarak direnç üzerinden okunan voltaj değeri kapasitör üzerinden okunan voltaj değerinin tam tersi olacaktır. İsterseniz bu grafik ile de biraz oynayalım. Bakalım cascate bağladığımızda yine keskinliği arttıracak mıyız?
Görüldüğü gibi bu sefer keskin değil de daha yumuşak bir grafik elde ettik ve grafik sağa kaydı. Peki birde kapasitörün değeri ile oynayalım.
Direncin değerini arttırdığımızda ise daha keskin ama sola daha yaklaşmış bir grafik elde ettik.
- Band Geçirgen Filtre
Bu filtre ise belli bir band aralığını geçirmektedir. Kabaca böyle bir fitre dizanyn etmek için bir direnç, bir indaktör ve bir kapasitör yeteri olacaktır. Bu devre elemanlarını seri olarak bağladığımızda ve output voltajını direnç üzerinden okumaya çalıştığımızda ise göreceğiz ki frekansı arttırdığımız süre zarfı içerisinde belli bir aralıkta output voltaj değeri pik yapacaktır. Çünkü frekans arttıkça kapasitörün empedansı 0 a yaklaşsa bile indaktörün empedansı artacağından direnç üzerindeki voltaj yine sıfıra yaklaşacaktır. Tam tersi durumda yani frekansı azalttıkça bu sefer indaktörün empedansı “0” a yaklaşacak fakat bu sefer de kapasitörün empedansı artacaktır. Böylece yine direnç üzerine düşen output voltajı azalacaktır. İndaktör ve kapasitansın empedansları ne zaman birbirlerine eşit olup kısa devre olurlar ise o zaman direnç üzerinden okunan output voltajı en yüksek değerine ulaşacaktır. İşte bu yüzdendir ki output voltajı belli bir aralıkta en yüksek değerine ulaşıp tekrar düşecektir.
Grafikte de görüldüğü üzere belli bir frekans değerinde output voltajım en yüksek değerini alır iken diğer frekasn değerlerinde “0” a doğru yaklaşmaktadır. Peki bu devreyi castete bağlayalım.
Evet keskinlik arttı ve grafik sola doğru kaydı. Böyle bir devreyi radyonun içerisinde olduğunu düşünün. Ve istasyon arama butonunu çevirdikçe bu grafiğin pic noktasının sağa sola doğru hareket ettiğini düşünün. Aslında gerçekte yapılan bundan farksızdır. Daha keskin ve verimli bir output voltajı elde edeceğimiz bir devrede istasyon arama butonunda bağlı olan değişken kapasitörün değeri değiştirilerek bu pik değeri değiştirilir böylece frekansları seçmiş oluruz.
Görüldüğü gibi kapasitör değeri ile oynayarak grafiği sağa doğru hareket ettirmiş oldum. Butonu çevirirken yaptığımız şeyde budur aslında.
- Band Durduran Filtre
Bu filtre ise band geçirgenin tam tersi olarak belli bir band aralığının output voltajı olarak görünmesine izin vermez. Filtrelerde yaptıklarımız çok farklı şeyler değil aslında. Burada da band geçirgende olduğu gibi kapasitör, indaktör ve direnç kullanacağım fakat burada output voltajını direncin üzerinden değil kapasitör ve indaktörün üzerinden okuyacağım. Artan bir frakansta indaktörün empedansı artarken kapasitörün empedansı azalacağından ikisi üzerinde okunan voltaj değeri belli bir band haricinde “0” dan farklı olacaktır. Bildiğimiz gibi kapasitör ve indaktör empedansları birbirlerini nötürlerler. İkisinin empedaslarının toplamı sıfır olduğunda output kısa devre olacak ve “0” analog değeri okunacaktır.
